Цифровая командная радиолиния КИМ-ФМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Цифровая командная радиолиния КИМ-ФМ»

Содержание

Задание по курсовому проектированию

Введение

1. Общая характеристика системы управления

2. Расчет и выбор основных технических характеристик системы

2.1 Определение частоты дискретизации

2.2 Определение разрядности квантования

3. Структура группового сигнала и расчет его параметров

4. Спектр сигнала

5. Расчет энергетического потенциала радиолинии

6. Контур управления и его анализ

7. Разработка функциональной схемы радиолинии

7.1 Описание функциональной схемы передатчика

7.2 Описание функциональной схемы приемника

7.3 Конструкция бортового приемника

7.4 Описание конструкции

Заключение

Список литературы

Введение

Системы, с помощью которых обеспечивается передача 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 часто 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 мало пригоден 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. При передаче цифровой информации на первой ступени чаще всего используется кодо-импульсная модуляция (КИМ). В сигналах с двумя ступенями модуляции (КИМ-ФМ, КИМ-ЧМ) сигнал КИМ (т.е. последовательность символов) непосредственно модулирует несущую.

Непосредственная модуляция несущей позволяет более экономично использовать полосу частот, отведённую для радиолинии. Такие сигналы более пригодны для высоких скоростей передачи информации (Мбит/сек), что характерно для радиолиний сравнительно малой дальности (до тысяч км). В сигналах с трёхступенчатыми видами модуляции (КИМ-ЧИМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ и др.) сигналом КИМ модулируется поднесущая, а затем - несущая. Занимаемая полоса частот увеличивается. Однако такая структура сигнала оказывается более удобна для построения демодуляторов. С помощью поднесущих создаётся дополнительная частотная селекция для защиты от сосредоточенных помех. Сигналы с поднесущими характерны для космических радиолиний протяжённостью вплоть до сотен миллионов километров.

В данной работе проектируется цифровая командная радиолиния КИМ-ФМ, которая должна удовлетворять всем вышеизложенным требованиям.

1. 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.

Рис. 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.

Рис. 2.

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.



Рис. 3.

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.

командный управление радиолиния

2. Расчет и выбор основных технических характеристик системы

2.1 Определение частоты дискретизации

Под дискретизацией понимается процесс представления непрерывного сообщения U(t), заданного на интервале (0,Tc), совокупностью его значений (отсчетов) U(t_i) в дискретные моменты (моменты дискретизации). При равномерной дискретизации отсчеты формируются через равные промежутки времени Тд - интервалы дискретизации. Величина, обратная интервалу, F_д=1/Т_д 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:

U(t)=??U(iT_д) sin 2f_в(t-iT_д)/2f_в(t-iT_д)

При этом условии аналоговый сигнал U(t) 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

B(U₁,…..,U_n)=U(t)=??U_iХ_i(t), i=1,n

где U_i=U(t_i) - выборки или отсчеты сигнала; U(t) - оценки исходного сообщения U(t); X_i(t) - 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 F_д=2F_В, где F_В - максимальная частота в спектре.

Для практических расчетов частоту дискретизации обычно берут в 5-7 выше F_В, отсюда частота дискретизации:

Fд=5*2*Fв=10*10=100 Гц

2.2 Определение разрядности квантователя

Этапы процесса представления сообщений:

Дискретизация

Квантование

Кодирование

Командном процессе дискретизации происходит следующим образом. Непрерывное сообщение заменяется последовательностью его мгновенных значений, (которые называются отсчётами), взятых в определённые моменты времени. Интервал t может меняться в зависимости от скорости изменения сигнала, в этом случае дискретизация будет адаптивной. Но для простоты аппаратуры используют постоянный шаг дискретизации t. При такой замене из рассмотрения исключается всё множество значений непрерывной функции

времени, находящихся внутри интервалов времени t. Полученная при этом функция имеет вид последовательности отсчётов, взятых в дискретные моменты времени.

В основе математического описания дискретизации непрерывных функций во времени лежит так называемая импульсная функция дискретизации а_д(t), которая представляет собой периодическую последовательность -функций, следующих через интервалы времени t:



Дискретизация непрерывной функции времени x(t) c математической точки зрения представляет собой умножение этой функции на функцию а_д (t):

Умножение x(t) на единичный -импульс соответствует получению отсчёта функции x(t) в момент t=kt. С учётом этого фильтрующего свойства -функции последнее выражение принимает вид:

Следовательно, умножение сообщения x(t) на импульсную функцию

дискретизации приводит к образованию периодической последовательности -импульсов, веса которых равны мгновенным значениям сообщения в моменты времени t=kt.

На практике реализовать импульсную функцию дискретизации в виде -импульсов невозможно. Технически дискретизация непрерывного сообщения реализуется ключевыми устройствами, управляемыми периодической последовательностью коротких прямоугольных импульсов. При этом длительность отсчётов конечна, поскольку отсчёт берётся не в одной точке, а в некотором интервале времени, равном длительности импульса .

Полученный в результате временной дискретизации АИМ сигнал является непрерывным по уровню. Для преобразования его в дискретный сигнал необходимо осуществить операцию квантования, которая состоит в замене непрерывной шкалы мгновенных значений сигнала дискретной шкалой разрешенных уровней (шкалой квантования). В процессе квантования мгновенные значения непрерывного сигнала заменяются ближайшими разрешенными уровнями, так что квантование можно рассматривать как линейно-ломаную аппроксимацию непрерывных функций.

На рис.4 изображена непрерывная функция x(t) и аппроксимирующая её квантованная функция x_кв(t).

Расстояние между ближайшими разрешёнными уровнями х называется шагом квантования. Шкала квантования называется равномерной, если все шаги квантования равны между собой, и неравномерной, если шаг квантования по шкале непостоянный. Квантование сигналов сопровождается определённой погрешностью, которая тем меньше, чем меньше шаг квантования.

Разность между исходным и квантованным сигналами называется шумом квантования. На рис.4 показан шум квантования

При равномерном квантовании дисперсия ошибки квантования определяется выражением:



Шум квантования является основным источником искажений при передаче квантованных сигналов. Допустимость квантования сигналов основана на том, что все реальные сообщения целесообразно передавать с определённой точностью. Выбор шага квантования определяется требованиями к точности передачи сигнала. При квантовании АИМ колебания, полученного в результате дискретизации непрерывного сигнала x(t), на входе квантующего устройства образуется квантованный АИМ сигнал, у которого амплитуды импульсов принимают конечное число разрешённых значений. Квантованный АИМ сигнал является дискретным и по уровню и по времени и для его передачи могут быть использованы цифровые методы.

Квантованный отсчёт может быть передан в виде одиночного импульса, имеющего некоторую дискретную высоту. Однако, если требуется большое количество дискретных высот, затруднительно сделать схемы, способные отличить эти уровни друг от друга. С другой стороны, легко осуществить схему, которая различала бы только два уровня (например, наличие или отсутствие импульса). По этой и многим другим причинам высоту дискретного уровня представляют в двоичной форме и данный квантовый отсчёт передают с помощью бинарной кодовой группы. С помощью бинарного кода, состоящего из r разрядов, можно передать значение любого дискретного уровня из общего числа уровней квантования L=2^r. Таким образом, получаем сигнал с КИМ.

Определим разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП), применяющегося на передающей стороне для формирования цифровых команд из непрерывных аналоговых сообщений. Выбор числа уровней квантования определяется допустимым шумом квантования, обычно приходится решать задачу определения минимально необходимого числа разрядов кода, который может быть использован для кодирования при заданном отношении сигнал/шум систем.

Найдём отношение с/ш исходя из вероятности перепутывания символов. На рис. 5 приведена зависимость вероятности перепутывания символов Р_ош от значений отношения с/ш q.

Рис 5. Вероятность перепутывания символов от значений отношения с/ш

Нам задана вероятность ошибки Р_ош=10^-5. Тогда, согласно рисунку 5 отношение с/ш имеет значение равное q=12dB=16раз. Это отношение с/ш для аналогового сигнала. Так как принято, что отношение с/ш для цифрового сигнала больше отношения с/ш для аналогового в 3-5 раз, то отношение с/ш для цифрового сигнала: . Отношение с/ш и разрядность информационного слова получим равное:

,

где К_пф -пикфактор сигнала.

Примем . Тогда для двоичной системы счисления:

Откуда, ,

Таким образом выбираем разрядность квантователя: r = 10 разрядов Число уровней квантования: L=2^r=2¹⁰=1024.

3. Структура группового сигнала и расчет его параметров

Поскольку в техническом задании задан асинхронный режим работы, то кадровая синхронизация заменяется на пословную. Имеем 6 канала, количество элементарных передаваемых символов в каждом канале равно разрядности информационного слова r = 10. 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 (т. е. от Nи). В нашем случае Nи=8, поэтому выберем в качестве синхрослова 7 разрядную m-последовательность.

При асинхронном режиме целесообразно применение адресного разделения каналов. На приёмной стороне система пословной синхронизации выделяет кадровое слово, находящееся в начале каждого кадра. Чтобы на приемной стороне мы могли обработать информацию, требуется знать момент времени ее появления. Для этого в начале канального сигнала (кадра) размещается так называемый синхросигнал, который отличается от информационного сигнала. Таким образом кадр состоит из двух частей: сигнала синхронизации и информационного сигнала

Тк=Тс+Ти

где Тк - длительность передаваемого сигнала; Тс - длительность синхроимпульса; Ти - длительность информационного сигнала

Причем Тк=1/Fд=1/100=0,01сек. = 10 мс.

Количество элементарных символов в кадре:

=(7 бит(синхронизация)+ 10 бит(информация))*6(количество каналов)=102 бит

Длительность элементарного символа

Тактовая частота

Вид группового сигнала представлен на рис. 4.

Рис. 4.

4. Спектр сигнала КИМ-ФМ

При произвольном индексе фазовой модуляции сигнал КИМ-ФМ можно записать в виде:

,

где - девиация фазы, которая выбирается в пределах 0 - ; - последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов с единичной амплитудой и длительностью . Эта последовательность отображает передаваемое сообщение. Будем считать, что единицы и нули в сообщении передаются случайно, независимо друг от друга, с вероятностями P(1) и [1-P(1)] соответственно (единица соответствует положительному импульсу, нуль - отрицательному). Спектр такого сигнала является смешанным, т. е. имеет дискретную и непрерывную части. Дискретная часть состоит из одной гармоники на частоте с амплитудой и фазой , причем

Непрерывная часть спектра связана со случайным чередованием нулей и единиц в сообщении. Для нее может быть определена спектральная плотность мощности, которая выражается следующим соотношением:

Такой спектр изображен на рис 5. Как видно из приведенных соотношений, мощность гармоники на несущей частоте зависит от девиации фазы . Изменяя эту величину, можно перераспределять мощность между каналом синхронизации и информационным каналом, добиваясь оптимального режима работы системы в целом.

Рис 5 Спектр сигнала КИМ - ФМ.

Рассматривая работу канала синхронизации, следует обратить внимание на наличие в нем специфической помехи, связанной с передаваемым сообщением в сигнале КИМ-ФМ. Как видно из рис 5, непрерывная часть спектра вплотную прилегает к дискретной составляющей, и, следовательно, как бы ни была узка полоса пропускания канала синхронизации, в нее обязательно попадет часть мощности от непрерывного спектра. Это приведет к дополнительным флуктуациям фазы опорного напряжения, не связанным с действием шумов и не исчезающим при повышении мощности сигнала.

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.

Для связи с аппаратом, летящим на небольших высотах, используется сантиметровый диапазон длин волн. Для удобства расчёта выберем =3 см. Рабочая частота при этом равна:

В первом приближении ширина спектра КИМ- ФМ определяется шириной главного лепестка:

.

5. Расчет энергетического потенциала радиолинии

При расчёте и проектировании цифровых радиолиний различного назначения одной из важных задач является установление соотношений между параметрами этих линий и требуемыми показателями качества передачи информации. Обычно исходными данными для расчёта являются:

- достоверность передачи информации, задаваемая допустимой вероятностью ошибки на один информационный символ (или на кодовое слово);

- скорость передачи информации;

- дальность действия радиолинии;

- вид радиолинии, характеризуемый условиями распространения сигналов в таком канале, статистикой помех, условиями работы.

В космических радиолиниях независимо от того, в каком участке диапазона они работают, всегда присутствуют принятые антенной естественные шумы и собственные шумы приёмных устройств. Эти шумы аддитивные по отношению к сигналу на входе приёмника, имеют гауссовское распределение и практически равномерный спектр в пределах полосы пропускания приёмника. При расчётах, учитывающих действие таких шумов, удобно использовать понятие энергетического потенциала.

Определим его как отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума на входе приёмника, которое определяется следующей формулой:

(1)

где - мощность сигнала, излучаемого передатчиком (средняя мощность излучения); - коэффициент направленного действия антенны передатчика; - эффективная площадь приёмной антенны; - длина радиолинии; - результирующая спектральная площадь помех на входе; - ширина спектра сигнала; - коэффициент потерь, определяемый выражением:

(2)

где - коэффициент затухания, определяющий потери на поглощения в децибелах на километр; зависит от физико-химических свойств среды распространения и частоты. При длине волны равной 3 см =0,01дБ/км

Выражение (1) определяет фактическое отношение сигнал/шум на входе приёмника при известных параметрах радиолинии. Пусть для того, чтобы обеспечить требуемую вероятность ошибки при передаче одной двоичной единицы информации, необходимо иметь энергетическое отношение сигнал/шум

(3)

Тогда требуемое отношение сигнал/шум на входе приёмника:

(4)

При определении требуемого отношения сигнал/шум в соответствии с выражением (4) обычно не учитывается ряд причин, снижающих помехоустойчивость приёма. К их числу относятся неидеальность синхронизации, наличие интерференционных искажений, влияние трудно учитываемых особенностей распространения и ряд других факторов. Чтобы ослабить их влияние, часто требуемое отношение сигнал/шум берут с некоторым запасом (системный запас), то есть

(5)

Коэффициент запаса в зависимости от конкретных условий обычно выбирают в пределах 3-10 дБ.Мы берем равный 10 дБ. Для того чтобы радиолиния обеспечивала передачу информации с помехоустойчивостью не ниже заданной, необходимо выполнить условие

(6)

Учитывая (6) можем записать

(7)

где - основание первичного кода; - скорость передачи цифровой информации, определяемая выражением:

(8)

где - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости передачи, в реальных каналах передачи информации может принимать значения равные 0,6-0,9. Мы возьмем равной 0,6.

R=0,6/0,000098=6122м

В нашем случае радиолиния типа «Земля - управляемый объект». Радиолиния подобного типа предназначена для передачи различных команд с пункта управления на борт управляемого объекта. Достоверность приема таких команд должна быть весьма высокой, а допустимая вероятность ошибки принятой команды составляет 10^-5-10^-6 и менее. Перепишем выражение (7) применимо к нашему случаю. Для этого учтём следующие моменты:

- используется двоичный код, то есть ;

- ,

где D - КПД симметричного вибратора равно 1,64

- , D=1

- коэффициент использования поверхности антенны и в расчетах обычно берут равным 0,55.

Для радиолиний, работающих на УКВ и использующих несущие частоты сантиметрового и дециметрового диапазонов волн, наиболее характерной помехой является случайная помеха типа белый шум. Спектральную плотность мощности такой помехи в полосе пропускания приёмного устройства можно считать постоянной и равной NoУ=k*T*Nэ, где Дж/К - постоянная Больцмана; - эквивалентная шумовая температура по шкале Кельвина, обусловленная всеми источниками помех. Шумовая помеха создаётся источниками внутренних (антенно-фидерные устройства и первые каскады приёмника) и внешних шумов (радиошумы излучения Солнца и других космических объектов, тепловое излучение Земли, атмосферные шумы и т.д.). Эквивалентная шумовая температура бортового приёмника . Будем считать, что внутренние шумы приемника значительно больше шумов антенны. Примем Nэ=2 это очень хороший приемник. Таким образом Вт/Гц. Рассчитаем мощность излучения передатчика. Учитывая, выше приведённые формулы, можем записать:

(9)

Вероятность ошибочного приема символа в КИМ-ФМ рассчитывается как: Ф - интеграл вероятности. По заданию , тогда получим что . Это табличный интеграл и получаем, что значение подынтегральной функции равно 4,4. Для достижения максимального использования энергии для различных символов используют , поэтому sin = 1. Таким образом получим что

. Вт

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

(10)

где - мощность передающего устройства; G - КНД антенны передатчика; S_э - эффективная площадь приёмной антенны; l - расстояние между передающей и приёмной антеннами.

Тогда мощность принимаемого сигнала:

Вт

Эквивалентная шумовая полоса равна:

кГц

Мощность шума определяется из выражения:

Вт

Значение энергетического потенциала:

Для обеспечения достоверность передачи информации при наличии неточности наведения приемной антенны, потерь в антенно-фидерном тракте приемного устройства и многих других условий увеличим отношение с/ш в 10 раз.

6. Контур управления и его анализ

При самых различных способах радиоуправления движением летательных аппаратов система управления представляет собой замкнутый контур. В любой системе радиоуправления положение управляемого объекта в пространстве измеряется радиотехническими устройствами, показания которых определяют величину команды, действующей на рули. Рули изменяют направление движения, а следовательно, и пространственное положение летательного аппарата. Таким образом, контур замыкается. Контур системы управления состоит из звеньев, отображающих связи между различными переменными величинами, характеризующими движение управляемого объекта. Графическое изображение этих связей с помощью условных обозначений образует структурную схему контура управления. Рассмотрим пример такой схемы.

В состав этого контура входит звено Автопилот-Снаряд. Входом этого звена можно считать вектор сигнала рассогласования или командного сигнала , а выходом - угол , определяющий направление вектора скорости. Второе звено контура связано с наличием в системе радиоустройств. Радиоустройства обеспечивают информационную связь между различными объектами системы, разнесёнными в пространстве на значительные расстояния. Характеристики радиоустройств существенно влияют на параметры контура управления. Удобно выделить все звенья контура, параметры которых определяются радиоустройствами, и рассматривать их как специфические радиозвенья. Можно сказать, что в контуре системы радиоуправления всегда имеется сложное радиозвено, входом которого являются координаты снаряда и цели, а выходом - сигнал рассогласования или командный сигнал . Третье звено контура управления называется кинематическим. Оно не связано с какой-либо аппаратурой, а определяет соотношения между различными координатами и параметрами движения снаряда и цели. Кинематические звенья в структурных схемах внешнего контура указывают связь между выходом звена Автопилот-Снаряд () и координатами, являющимися входом радиозвена.

Рассмотрим более подробно структурную схему контура управления, соответствующую командному радиоуправлению 1-го типа (КРУ-I). Эта схема представлена на рисунке 7.

Рис.7

Поясним назначение и характеристики основных элементов схемы. Командная радиолиния обеспечивает передачу командного сообщения , выработанного ЭВМ, на вход звена Автопилот-Снаряд. В простейшем случае она может быть описана линейным радиозвеном с передаточной функцией . Помехи, действующие на радиолинию и пересчитанные на её вход, на рис. 7 изображены в виде эквивалентного напряжения, которое суммируется с командным сигналом . Назначение звена Автопилот-Снаряд и кинематического звена было рассмотрено ранее. Передаточная функция кинематического звена, связывающая и , содержит интегрирующее звено и безынерционное звено с переменным коэффициентом усиления . Следовательно, оно является нестационарным. Радиовизир снаряда будем считать выполненным в виде радиолокатора, автоматически следящего за угловыми координатами летательного аппарата. На его выходе формируется приборные аналоги углов положения снаряда в пространстве . Радиовизир летательного аппарата, который является системой автоматического регулирования, приближённо можно представить в виде эквивалентного колебательного или инерционного звена с передаточной функцией . Радиовизир цели с передаточной функцией следит за угловыми координатами цели. Радиовизиры измеряют углы не точно, а с некоторыми ошибками. Наличие этих ошибок учитывается в структурной схеме введением эквивалентного возмущающего сигнала , который суммируется с приборными аналогами углов. ЭВМ осуществляет вычитание приборных аналогов углов снаряда и цели , образуя приборный аналог разности угловых координат . Для компенсации нестационарности кинематического звена обычно производят умножение на величину , пропорциональную расстоянию пункт управления - управляемый объект. Для обеспечения нужного качества регулирования в контуре управления движением летательного аппарата с помощью корректирующего звена с передаточной функцией в ЭВМ могут осуществляться различные линейные операции с сигналом рассогласования. На выходе ЭВМ формируется командное сообщение , поступающее на вход радиолинии.

7. Разработка функциональной схемы радиолинии

7.1 Описание функциональной схемы передатчика

Структурная схема передающей части радиолинии изображена в приложении 1. На вход коммутатора поступают N=6 передаваемых сообщений. С помощью АЦП они преобразуются в цифровой код. Преобразователь кода ПК служит для преобразования кода в последовательный. Схема синхронизации управляет работой предающей части и вырабатывает следующие сигналы:

1) Сигналы управления коммутатором. Эти сигналы имеют частоту повторения определяемую верхней частотой спектра передаваемых сообщений.

2) Сигналы управления АЦП.

3) Сигналы управления преобразователем кода ПК.

4) Сигнал кадровой синхронизации. В данном случае в качестве сигнала синхронизации используется 7 разрядная m - последовательность.

С помощью сумматора формируется групповой сигнал на видеочастоте. В групповом сигнале символы следуют с тактовой частотой , которая определяется задающим тактовым генератором системы синхронизации. Сигнал на поднесущей частоте модулирует по фазе колебание на несущей частоте

7.2 Описание функциональной схемы приемника

Структурная схема приемной части радиолинии изображена в приложении 2. В высокочастотной части происходит перенос несущей частоты на промежуточную. Далее КИМ-ФМ сигнал проходит через фазовый детектор. Умножитель частоты, узкополосный резонансный фильтр (УРФ), делитель частоты и фазовращатель(ФВ) образуют схему формирования опорного напряжения. ФВ необходим для компенсации возникающих в схеме дополнительных фазовых сдвигов. Управляет работой приемной части радиолинии система посимвольной синхронизации. Ее цель выработать периодическую последовательность импульсов с тактовой частотой. На выходе фазового детоктора(ФД1) формируется последовательность импульсов фронты которых жестко привязаны к моментам перескока фазы ФМ сигнала. Для слежения за тактовой частотой используется кольцо ФАП. Сигнал с выхода ФД2 является синхронизирующим для местного тактового генератора( МТГ), который вырабатывает меандр тактовой синхронизации. МТГ синхронизирует работу схемы формирования стробирующих импульсов. Эти импульсы на ряду с последовательностью с ФД поступают на решающее устройство РУ, которое выдает решение о приходе бита лишь в момент стробирования. На основе импульсов с РУ формируется сигнал КИМ на выходе формирователя импульсов ФИ. Далее КИМ-сигнал поступает на дешифратор канальной m-последовательности и на ключи, которые открываются лишь по импульсу в соответствующем дешифраторе(ДШ). Таким образом исключается попадание информации в другой канал. Формирователь импульсов(ФИ) формирует импульсы заданной амплитуды и длительности. С выхода ФИ снимается поток решений о символах, представляющий собой поток элементарных символов. Распределитель каналов содержит 6 дешифратора, 6 ключей, 6 схем ЦАП преобразующих приходящую цифровую последовательность в аналоговый сигнал. Распределитель каналов обеспечивает распределение принимаемой информации по потребителям. Работа ЦАП начинается по сигналу пересчетной схемы, которая отсчитывает 10 бит информации, счетчик сбрасывается сигналом с ДШ. В качестве канального дешифратора используется фильтр, согласованный с канальной m-последовательностью.

Описание функциональной схемы сихронизатора приемника.

Теперь рассмотрим более подробно систему выделения сихрослова, которая представлена дешифраторами в схеме приемника. Синхронизация кадров осуществляется следующим образом: Входная двоичная последовательность поступает с тактовой частотой в верхний регистр сдвига. В исходном состоянии ключ К2 разомкнут. После записи в регистр очередного символа К1 замыкается, а К2 размыкается. Верхний и нижний регистры начинают тактироваться с частотой mfт. После m тактов регистры возвращаются в исходное состояние. Если показания счетчика превышают некоторую заданную величину, то принимается решение о том, что найден момент времени соответствующий окончанию синхрослова. Эти моменты времени могут использоваться для подстройки местного генератора, который вырабатывает сигнал с частотой кадров или используется непосредственно.

Рис. 8

7.3 Конструкция бортового приемника

При проектировании антенн для ЛА, в особенности при выборе места их размещения на корпусе ЛА, необходимо учитывать, что при достаточно большой электронной концентрации плазма может оказать на работу антенн сильное влияние, вплоть до полного нарушения работы радиолинии. Сильное воздействие набегающего потока воздуха из-за большой скорости полета современных ЛА является причиной значительных механических усилий, испытываемых отдельными частями корпуса летательного аппарата, в том числе бортовой аппаратурой и антеннами. Эти усилия особенно велики в том случае, когда антенна является наружной. Механическое воздействие воздушного потока заметно увеличивается с ростом скорости полета и существенно зависит от формы и размеров антенн. Однако даже в том случае, когда антенна является не выступающей, на нее, тем не менее, передаются значительные механические усилия, испытываемые другими частями корпуса ЛА.

Щелевые антенны являются одним из типов антенн, наиболее часто применяемых в ЛА. В радиолиниях телеметрии и командного управления обычно требуется ненаправленное излучение приемных антенн, поэтому находят применение круговые решетки щелей, расположенные по периметру цилиндрической части корпуса ЛА. При разработке многощелевой антенны необходимо решить вопросы о способе питания щелевых излучателей, об их ориентации относительно продольной оси ЛА и общем числе излучателей. Применяются два способа питания излучателей. Первый из них состоит в том, что прямоугольный волновод сворачивается вокруг широкой или узкой стенке в кольцо и в наружной стенке, находящейся на уровне обшивки ЛА, прорезаются щели, образующие таким образом круговую решетку излучателей. Наружная стенка закрывается диэлектрическим защитным слоем. Применение кольцевой волноводно-щелевой антенны наталкивается на очевидные конструктивные сложности. Если расположить волновод под обшивкой ЛА, так чтобы его наружная поверхность вплотную прилегала к внутренней поверхности обшивки, то в ней нужно по периметру корпуса прорезать большое число щелей, что значительно ослабит механическую прочность корпуса. Можно не нарушать целостности обшивки, предусматривая в ней паз, в котором с наружной стороны уложен кольцевой волновод. Это, однако, усложняет конструкцию самого корпуса ЛА. При большом диаметре ЛА волноводно-щелевая антенна имеет значительный вес, что также является недостатком.

Достоинством волноводно-щелевой антенны является возможность получения в азимутальной плоскости диаграмм направленности без глубоких провалов, для этого необходимо расположить соседние щели достаточно близко друг от друга. В виду указанных выше недостатков кольцевой волноводно-щелевой антенны преимущественно применяется другой способ питания щелевых излучателей. Он состоит в том, что по периметру корпуса ЛА размещаются несколько одиночных излучателей, которые питаются с помощью делителей мощности, направленных ответвителей и других волноводных узлов, а также разветвленной фидерной (волноводной) системы питания. Данная схема питания обладает достаточной гибкостью, так как выбором длин фидеров (волноводов) и соответствующих делителей мощности можно получить разнообразные амплитудно-фазовые распределения полей в щелях.

7.4 Описание конструкции

Сформулируем требования, предъявляемые к конструкции приёмника, устанавливаемого на борту летательного аппарата. Современные воздушные летательные аппараты могут перемещаться в атмосфере с огромными скоростями и на большой высоте. Поэтому к бортовой аппаратуре и к антенной системе предъявляются очень жёсткие требования. К бортовой аппаратуре применяются следующие жёсткие и, в то же время, противоречивые требования:

- жёсткая ограниченность габаритов и массы;

- ограничение в энергопотреблении;

- способность работы в вакууме;

- стойкость к мощным тепловым ударам;

- стойкость к радиоактивному излучению;

- стойкость к совместному действию вибрационных и линейных нагрузок;

- чрезвычайно высокая надежность.

При разработке бортовой аппаратуры следует выполнять все вышеперечисленные требования с учетом влияния климатических факторов. Рассмотрим климатические факторы, влияющие на бортовую аппаратуру и их последствия:

- повышенная температура - высыхание защитных покрытий с растрескиванием, миграция примесей в полупроводниках, изменение электрических характеристик радиоэлементов, деформация деталей;

- пониженная температура - изменение электрических характеристик радиоэлементов, деформация деталей, конденсация влаги;

- повышенная влажность - увеличение паразитных емкостей, снижение сопротивления диэлектриков, опасность термоудара;

- пониженное давление - снижение пробивного напряжения волноводов, печатного монтажа и др., ухудшение теплоотдачи;

- солнечная радиация - старение диэлектриков и разрушение покрытий;

- механический фактор:

а) вибрации; б) удары; в) ускорения; г) акустические шумы.

Из-за наличия сильных электромагнитных полей необходимо тщательно экранировать отдельные узлы приемника. Необходимо обеспечить герметичность корпуса приемника с возможностью ремонта и обеспечить надежное его крепление на борту летательного аппарата.

При проектировании антенной системы следует учитывать следующие моменты. При большой скорости полета наблюдается значительный аэродинамический (кинетический) нагрев корпуса ЛА. Этот нагрев в полной мере испытывают антенны, так как они располагаются либо на обшивке ЛА, либо под обшивкой ЛА. При проектировании антенн для ЛА, в особенности при выборе места их размещения на корпусе ЛА, необходимо учитывать, что при достаточно большой электронной концентрации плазма может оказать на работу антенн сильное влияние, вплоть до полного нарушения работы радиолинии. Таким образом к антеннам, устанавливаемым на ЛА, предъявляется комплекс радиотехнических, механических и температурных требований, вытекающих как из назначения самой аппаратуры, так и из условий работы антенны. Рассмотрим эти требования:

1) аэродинамическое (лобовое) сопротивление - антенны, устанавливаемые на ЛА, предназначенных для полета в плотных слоях атмосферы, должны иметь минимально возможное лобовое сопротивление. Предпочтения заслуживают антенны, установленные вдоль воздушного потока. Наилучшим решением является применение невыступающих антенн;

2) размеры и вес - как и все оборудование, устанавливаемое на ЛА, антенны должны обладать минимальным весом. Уменьшение веса достигается не только уменьшением размеров антенны, но также использованием облегченных, например полых и сетчатых конструкций антенн и применением для них более легких материалов, например алюминия и его сплавов, а также пенистых диэлектриков;

3) механические требования - антенны ЛА должны обладать большой механической прочностью, устойчиво работать при воздействии механических ударов и выдерживать значительные перегрузки. Кроме того, не должны наблюдаться механические резонансы конструкций антенн и существенное изменение их электрических параметров при воздействии вибраций. Механические требования удовлетворяются прежде всего применением в конструкциях антенн высокопрочных металлов и диэлектриков, а также путем придания антеннам жесткой конструкции;

4) температуростойкость - антенны должны быть рассчитаны для надежной работы в условиях высоких температур, вызванных аэродинамическим нагревом ЛА. Это достигается применением в конструкциях антенн жаростойких материалов. Антенны должны быть также рассчитаны для работы в условиях низких температур. Здесь следует учитывать, что некоторые материалы при низких температурах становятся хрупкими и поэтому непригодны для применения на летательных аппаратах.

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана цифровая командная радиолиния КИМ-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.

3. Тепляков И.М., Рощин Б.В., Фомин А.И., Вейцель В.А. Радиосистемы передачи информации./Радио и связь, 1982-264с.

4. Тепляков И.М Радиотелеметрия./М.: Сов. радио, 1966-311с.

5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ./М.: Высшая школа, 1998-430с. 6. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР./под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994-590с.

7. Езерский В.В., Паршин В.С. Теоретические основы цифровой обработки сигналов: Учебное пособие. - РГРТА, Рязань, 1996.

8. Езерский В. В. Курс лекций по дисциплине "Цифровой обработки сигналов и МП".

9. Паршин В.С. Курс лекций по дисциплине «Радиосистемы управления».

Размещено на Allbest.ru