--PAGE_BREAK--Для радиолиний Земля – космос выделен диапазон 2025…2110 МГц. Низкие частоты этого диапазона целесообразно использовать для связи на небольшой высоте, т. к. при этом тропосферное и ионосферное ослабление сигнала минимально. Выберем fнес = 2025 МГц. Отсюда l= с/ fнес = 0,148 м.
2.5Расчет энергетического потенциала
Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение средней мощности сигнала РС к спектральной плотности шума GШ(мощности шума в полосе 1 Гц), пересчитанное ко входу приемника.
Расчет энергетического потенциала радиолинии позволяет определить ряд основных параметров системы: мощность передатчиков, геометрические размеры антенн, скорость передачи информации и др.
В радиолиниях ближнего космоса достаточно небольшое усиление. Здесь часто оказывается выгодным использовать всенаправленные бортовые антенны, обеспечивающие прием и передачу сигналов во всем пространственном угле.
В качестве наземной передающей антенны возьмем антенну параболического типа.
Мощность сигнала на входе приемника определяется выражением:
РС ВХ=РИЗЛgЕGSЭ/4pr2; (1)
где РИЗЛ=(103¸105)Вт- мощность сигнала, излучаемого передатчиком.
G- КНД антенны передатчика.
r= 250км- расстояние между передатчиком и приемником.
gЕ— коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в среде за счет поглощения.
gЕ=exp(-0.23ar); (2)
где a— коэффициент затухания.
Для l=5см a=0,02-0,2дБ/км
Итак, с учетом (2) выражение (1) принимает вид:
РС ВХ=РИЗЛ(GSэ/4pr2); (3)
Если основными помехами в линии связи являются внутренние флюктуационные шумы и другие случайные помехи шумового типа, то пересчитав все эти помехи ко входу приемника, можно определить результирующую спектральную плотность помех на входе в виде:
NОå(f)=åNОI(f) (4)
где NOI— спектральная плотность случайной помехи i-го вида, пересчитанная ко входу приемника.
Мощность всех помех на входе приемника, определяемая в полосе частот fэзанимаемой спектром сигнала, равна:
f+fэ/2
РШ ВХ=òNОå(f)¶f; (5)
f-fэ/2
где f— частота несущей.
Выражение (5) можно представить в виде:
РШ ВХ=NОå(f)fЭ=NОåfЭ; (6)
В простейшем случае, когда основной помехой являются только внутренние флюктуационные шумы приемника с равномерной спектральной плотностью N, мощность помехи на входе (при согласованном входе) равна:
РШ ВХ=кТЭfЭ; (7)
где к- постоянная Больцмана (к=1,38*10-23Дж/к).
Тэ — эквивалентная шумовая температура входа.
С учетом выражений (3) и (6) отношение средней мощности шума на входе приемника определяется формулой:
(PC/PШ)ВХ=(РИЗЛGSЭ/4pr2NОåfЭ)exp(-0.23ar); (8)
Это выражение определяет фактическое отношение сигнал / шум на входе приемника при известных параметрах линии связи. Пусть для того чтобы обеспечить требуемую вероятность ошибки при передаче одной двоичной единицы информации, необходимо иметь энергетическое отношение сигнал/ шум:
h2O.ТР=ЕО/NOå=(PC/PШ)ВХ*tО*fЭ; (9)
Тогда требуемое отношение сигнал / шум берут с некоторым запасом (системный запас), т.е.
(PC/PШ)ТР=gСИСТh2O.ТР/tО*fЭ; (10)
где gCИСТ— коэффициент запаса, выбирается от 2 до 10. Зададимся gCИСТ=4.
Для того чтобы линия связи обеспечивала передачу информации с помехоустойчивостью не ниже заданной, необходимо выполнить условие:
(РС/РШ)ВХ³(РС/РШ)ТР; (11)
Приняв во внимание (8), (10) и (11) имеем:
(РИЗЛGSЭ/4pr2NOå)exp(-0.23ar)³gСИСТh2oТР/tО; (12)
Шумовая температура: Тэ=1000 К;
Отношение с/ш: g=50Дб;
Длительность элементарного символа: tО=75,3 мкс;
Длина волны: l=14,8 см;
Коэффициент запаса: gСИСТ=4;
Коэффициент затухания: a=0,1 дБ/км;
Коэффициент, учитывающий уменьшение скорости передачи: gR=0,75
Расстояние между передатчиком и приемником: r=250 км;
Скорость передачи информации – R= gR* log2 n/ tО = 23000 бит/с;
Спектральная плотность флюктуационных шумов на входе приемника — NO= кТэ= 1,38 * 10-20
Диаметр бортовой антенны: d=0.5 м;
Диаметр антенны наземной станции: D=25 м;
Коэффициент использования поверхности антенны: hА=0,55;
Требуемая средняя мощность сигнала излучаемого передатчиком в нашем случае выразится формулой:
РИЗЛ³gСИСТ/gR* ln(1/2Рош ) * R* NO*(4lr/pdDhА)2 =1,74 * 10-6;
Берем РИЗЛ = 10 Вт, что позволяет скомпенсировать неучтенные факторы, снижающие качество канала связи, которые приведены ниже.
Ослабление сигнала в свободном пространстве, обусловленное рассеиванием энергии радиоволны, составляет основные потери в радиолиниях. Но есть и дополнительные потери, которые необходимо также учитывать.
LД=LАФУ+LНАВ+LАТМ+LПОЛ,
где LАФУ— потери в передающих и приемных антенно-фидерных устройств;
LНАВ— потери из-за неточности наведения приемной и передающей антенн;
LАТМ— потери при распространении сигнала в атмосфере;
LПОЛ— потери при поляризации радиоволн;
3.
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 g(t), которая непосредственно или косвенно характеризует либо условия, в которых находится объект управления, либо текущее состояние объекта… Для осуществления такого контроля в состав радиотелемеханических систем включаются либо те или иные радиоизмерительные 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. В первых команды формируются на борту летательного аппарата, во вторых — на пункте управления и передаются на борт летательного аппарата по командной радиолинии.
Автономные радиотелемеханические системыобычно 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.
Рис. 2
Измеряемая, монотонно нарастающая (или убывающая) величина g(t) непрерывно воспринимается бортовым радиоизмерительным устройством. Результат измерения обрабатывается в бортовом решающем устройстве и сравнивается с некоторой пороговой величиной gпор. В момент совпадения этих величин (g(t)= gпор) выдается разовая команда в виде скачка напряжения или в виде импульса, поступающая на исполнительное устройство. С выхода исполнительного устройства осуществляется управляющее воздействие Fy(t) на объект управления.
Неавтономные радиотелемеханические системыосуществляются 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 Uк’(t) 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 радиотелемеханическим системам. Однако радиоизмерительное устройство, контролирующее величину g(t), 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.
А)Функциональная схема неавтономной радиотелемеханической системы.
Рис.
3
Б) Функциональная схема р/телемеханической системы с обратной связью.
Рис. 4
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 g(t). 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 g*(t), необходимая для осуществления требуемого управления бортовыми приборами и агрегатами. Формирование команд осуществляется в результате сравнения оценки g*(t) cвеличиной gО(t), 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.
Применение радиотелемеханических систем с обратной связью наиболее характерно для управления бортовой аппаратурой космических аппаратов.
4.
Разработка функциональной схемы радиолинии
4.1 Спектр сигнала КИМ-ЧМ-ФМ
Сигнал КИМ-ЧМ-ФМ является одним из наиболее часто применяемых сигналов при организации цифровой связи по радиоканалам большой длительности. Символы сигнала КИМ заполняются прямоугольными колебаниями (меандром) разной частоты для нулей и единиц. Сигналом КИМ-ЧМ модулируется по фазе несущее колебание.
Аналитическая запись сигнала КИМ-ЧМ-ФМ имеет вид:
где:
-колебания прямоугольной формы (меандр) с частотами w1и w2, используемыми на второй ступени модуляции сигнала; Пс(t
)– последовательность положительных и отрицательных прямоугольных импульсов, т.е. сигнал КИМ.
Общий вид спектра сигнала изображён на рис.5.
Интенсивность непрерывной части спектра на частотах w
±
w
1и w
±
w
2, т.е. величина А равна:
где j— девиация фазы на последней ступени модуляции; Р(1) – вероятность появления единиц в сигнале КИМ; t– длительность элементарного символа.
Спектр сигнала изображён для случая, когда Р(1)=Р(0). В том случае, когда Р(1)¹Р(0), форма спектра на частотах w
±
w
1и w
±
w
2.
4.2. Описание функциональной схемы передатчика.
В нашей разрабатываемой совмещённой командной радиолинии есть одна особенность: на борту летательного аппарата будет находиться не только приёмник, но и передатчик, который будет передавать информацию иного рода, чем мы ему посылаем: это может быть телеметрическая информация, фотографии (цифровые) местности и т.п.
Рис. 6. Структурная схема передающей части
В простейшем случае работу передатчика можно объяснить следующим образом. На вход коммутатора Ком1 поступают Nпередаваемых сообщений U1(t), U2(t). С помощью АЦП они преобразуются в цифровой код. Преобразователь кода ПК служит для преобразования кода в последовательный. Схема синхронизации (СС) управляет работой передающей части и вырабатывает следующие сигналы:
1. Сигналы управления коммутатором Ком 1. 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. Как правило, в качестве сигнала синхронизации используется m-последовательность, длина которой больше или равна ½ длины информационной части.
С помощью сумматора (+) формируется сигнал на видеочастоте (рис.7.).
На рисунке: Тсс – длительность слова синхронизации, Ткс – длительность командного слова, t– длительность элементарного символа КИМ.
В групповом сигнале символы следуют с тактовой частотой fт, которая определяется задающим тактовым генератором системы синхронизации. С помощью коммутатора КОМ 2 символ «1» заполняется меандром с частотой f1, а символ «0» – меандром с частотой f2. В результате получается сигнал КИМ-ЧМ, который затем подаётся на фазовый модулятор (ФМ). Сигнал на поднесущей модулирует по фазе колебание на несущей частоте w. Усилитель мощности усиливает полученный сигнал КИМ-ЧМ-ФМ для обеспечения необходимого коэффициента усиления всего передатчика. Антенно-фидерный тракт осуществляет согласование антенны с передатчиком.
продолжение
--PAGE_BREAK--