Содержание
1. Общая характеристика системы управления
2. Расчет и выбор основных технических характеристиксистемы
2.1 Определение частоты дискретизации
2.2 Определение разрядности квантователя
2.3 Выбор группового сигнала и расчет его параметров
2.4 Расчет энергетическогопотенциала
2.5 Выбор структурной схемы передатчика
2.6 Структурная схема приемника
2.7 Описание функциональной схемы передатчика
2.8 Описание функциональной схемы приемника.
2.9 Схемная разработка системы кадровой синхронизации
3. Контур управления и его анализ
4. Разработка функциональной схемы радиолинии
4.1 Некоторые сведения обиспользуемом сигнале
4.2 Функциональная схема передающей части
4.3 Описание функциональной схемы передатчика
4.4 Описание функциональной схемы приемника
5. Разработка принципиальной схемы системы тактовойсинхронизации
6. Конструкция бортового приемника
Список литературы
1. Общая характеристика системы управления
Под управлением в самом общем случае понимается осуществлениесовокупности воздействий, выбранных из множества возможных на основании определеннойинформации и направленных на поддержание или улучшение функционирования некоторогообъекта в соответствии с заданной целью.
Контролем называется получение и обработка информации о состоянииобъекта и внешних условиях с целью обнаружения событий, определяющих управляющиевоздействия, которые должны быть оказаны на объект. Обработка информации при контролезаключается в сравнении с установками одного или нескольких параметров, характеризующихсостояние объекта, формировании и выдаче заключения о результате.
Под командным радиоуправлением понимается такое радиоуправлениепри котором команды формируются на пункте управления, на борт они передаются поспециальной радиолинии. В состав командной радиолинии входят система выработки команд,система приема команд на борту и среда распространения. Основными требованиями кКРЛ:
- высокая помехозащищенность
- криптостойкость
- имитостойкость
На борт летательного аппарата передается несколько команд, поэтомурадиолиния является многоканальной.
Обобщенную структурную схему передающей командной радиолинииможно представить так рис.1
Передающая часть/> />
Рис.1
ИК — источник команд; УС — устройство синхронизации
КУ — командное устройство; М — модулятор
ГЕН. — генератор.
От ИК мы получаем те сообщения, которые необходимо передать.В устройстве уплотнения мы объединяем передаваемые команды — групповой сигнал. ВУУ каждое сообщение перемножается на свое кодовое слово. С помощью сумматора å происходит объединение группового сигналаи синхросигнала. Далее осуществляется модуляция несущего колебания.
Назначение приемника — принять сигнал, максимизировать отношениеС/Ш и в конечном итоге каждому абоненту (определенному устройству) передать адресованноеему сообщение.
Приемная часть/> />
Рис.2
РК — распределитель каналов ЛПЧ — линейная часть приемника
УРК — устройство разделения каналов ДКУ — декодирующее устройство
СС — схема синхронизации
Если используется система с частотным разделением каналов, то СС ненужна в этом случае. Если используется разделение по времени или по форме, то ССобязательна.
В процессе управления на борт ракеты, по командной радиолинии,передаются множество различных команд, чтобы осуществить передачу по командной радиолиниинескольких независимых команд одновременно, необходимо сделать ее многоканальной.
Также как и в других многоканальных системах, в командной радиолиниидля передачи каждого независимого сообщения выделяется отдельный канал. Разделенияканалов между собой производится по временному, частотному или кодовому признакам.При этом в каждом канале формируется свое вспомогательное поднесущее колебание импульсноепри временном или кодовом разделении каналов и непрерывное при разделении каналовпо частоте.
При создании современных систем передачи используются как сложныесигналы (ШПС), так и сигналы с многоступенчатой модуляцией. На первой ступени используется,как правило, кодово-импульсная модуляция (КИМ), а на последующих — амплитудная модуляция(АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ). Наиболее часто встречаются сочетания КИМ-ЧМн-ФМ,КИМ-ЧМ-АМ, КИМ-АМ-ФМ, КИМ-ФМ-ФМ.
В данной работе разрабатывалась космическая система связи с КИМ-ФМ-ФМ.Характер спектра сигнала с многоступенчатой модуляцией в значительной степени определяетсяспектром сигнала КИМ. Кодово-импульсная модуляция является наиболее распространеннымметодом цифрового преобразования аналоговых сигналов. При КИМ осуществляется тривида преобразований: дискретизация по времени исходного сигнала, квантование амплитуддискретных отсчетов сигнала и кодирование. Сформированные при дискретизации отсчетыпреобразуются в группы кодовых символов. При формировании сигнала с трехступенчатоймодуляцией сигналом КИМ манипулируется по фазе поднесущее колебание, которым в своюочередь по фазе, моделируется несущее колебание.
цифровая радиолиния контур управление
2. Расчет и выбор основных технических характеристиксистемы2.1 Определение частоты дискретизации
Под дискретизацией понимается процесс представления непрерывногосообщения U (t), заданного на интервале(0,Tc), совокупностью его значений (отсчетов) U (ti) в дискретные моменты(моменты дискретизации). При равномерной дискретизации отсчеты формируются черезравные промежутки времени Тд — интервалы дискретизации. Величина, обратная интервалу,Fд=1/Тд называется частотой дискретизации.
Условия, при которых аналоговый сигнал с ограниченным спектромможет быть точно представлен своими отсчетами в дискретные моменты, вытекают изшироко известной теоремы В.А. Котельникова, которая для равномерной дискретизациивыражается формулой:
U (t) = å U (iTд) sin 2pfв(t-iTд) /2pfв(t-iTд).
i
При этом условии аналоговый сигнал U (t) может быть восстановлен без искаженийна выходе идеального фильтра низких частот, на вход которого подают отсчеты сигнала.
На приемной стороне восстановление исходного сообщения осуществляетсяс помощью оператора восстановления
n
B (U1,….,Un) =U (t)= åUiХi (t),
i=1
где Ui=U(ti) — выборки или отсчеты сигнала;
U (t) — оценкиисходного сообщения U (t);
Xi (t)- координатные (интерполирующие) функции.
Операция восстановление непрерывной функции по ее выборке называетсяинтерполяцией. Эта операция должна быть основана на знании особенностей поведенияфункции между отдельными выборками, утерянной в результате дискретизации процессапо времени.
Опросом по Котельникову называют формирование выборок с частотой Fд=2Fm, где Fm-максимальная частота в спектре.
Для практических расчетов пользуются формулой Fд=cm*2*Fm, где cm-коэффициент запаса, который при интерполяции по Лагранжувыбирают в зависимости от модели сигнала и порядка интерполирующего полинома. Мызададимся 4-ой моделью сигнала, полиномом второго порядка и приведенным показателемверности g = 0.2%, тогда />
отсюда частота дискретизации:
Fо=12.5*2*Fв=12.5*2*10=25кГц
2.2 Определение разрядности квантователя
Пусть в результате дискретизации получена непрерывная последовательностьотсчетов Х (nDt). Для передачи по цифровому каналу связи каждый отсчет квантуетсядо конечного множества значений.
Этапы процесса представления сообщений:
1. Дискретизация
2. Квантование
3. Кодирование
Обычно для кодирования квантованных отсчетов используется двоичная последовательность.С помощью В — разрядного кодового слова можно представить /> уровней.
Определим, как зависит отношение с/ш квантователя от В:
пусть />
/>
Динамический диапазон
/>
/>
где е (n) — шум квантования е (n) £ d/2
Модель шумов квантования:
1. шум квантования — стационарный белый шум
2. шум квантования некоррелирован с входнымсигналом
3. распределение шума квантования равномерноев пределах d/2
/>
считаем, что /> (сигнал согласован с апертурой квантователя)
следовательно: />
/>
получаем: /> (2.1)
Определим отношение с/ш (q), при котором достигаетсявероятность ошибки на символ Рош=10-6.
Кодирование сообщений в радиосистемах может быть использованодля повышения:
1) достоверности принятых сообщений,
2) помехоустойчивости радиолиний с целью снижения мощности передатчика.Кодирование сообщений для указанных целей называется помехоустойчивым, в отличиеот других видов кодирования, применяемых для решения задач (формирования адресов,сигналов синхронизации и др.), а также при устранении избыточности сигналов источниковсообщений.
Пусть цифровое сообщение кодируется двоичным (n,k) — кодом, гдеn — общее число символов, k — число информационных символов.
Эквивалентная вероятность ошибки:
рэ= (dx Mбл /2n) [1 — Ф (2Ебdxk / nN0) 1/2], (2.2)
где Еб/N0=Pcto/N0; Еб- энергия сигнала, затрачиваемая на один бит информации; Pc — мощность принимаемогосигнала; to — длительность одногоинформационного символа, поступающего на вход кодера канала связи; dx — кодовоерасстояние между рассматриваемыми символами; Mбл — число ближайших сигналов на расстоянииd от принимаемого сигнала; N0 — спектральная плотность белого шума. Интеграл вероятностиможно аппроксимировать экспоненциальной функцией. В широкой области значений р
p=0,5 [1 — Ф (22x) =0,1exp (-x2).
Тогда из (2.3) получим
рэ= (dxMбл/10n) exp (-Eбdxk/nN0).
Отсюда Ln (10рэ) =Ln (dxMбл/n) — Eбdxk/nN0 или
Еб/N0= (Ln (dxMбл/n) — Ln (10рэ)) /dx (k/n).
Эта формула является основной при оценке помехоустойчивости различныхкодов. Для кодов без избыточности и противоположных сигналов (с фазовой манипуляциейна 1800) пологая p=рэ, можно записать: p=0,5 [1 — Ф
(21/2h0)] =0,1exp (-h02);
Ln (10p) = h02, где h02 = Еб/N0- требуемое отношение энергии сигнала на 1 бит к спектральной плотности шумов длядвух противоположных сигналов.
Таким образом, для р=10-6 получим:
h02= — Ln (10*10-6) =11,5.
Обозначим полосу частот, занимаемую спектром сигнала, через Dfэ (ширина спектра сигнала).Тогда h02можно представить в виде:
/>
где Бс =Df э * t0 — база сигнала,а (Рс/Рш) вх — отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума на входеприемника, взятое в полосе частот Df э.
Для простых сигналов Бс = 1, следовательно: q = (Рс/Рш) вх = h02
Для расчетов увеличим это значение на 30 %: q = 11.5 + 30 % = 15
Будем считать приемлимым такой шум квантователя который в 4 раза меньше,чем шумы на входе приемника, следовательно: q` = 4 * q = 60. Подставляя это значение в формулу(2.1) с учетом D = 20 dB = 10 раз, получаем:
/>
2В
60 * 100 / 3 = 2
/>
Таким образом выбираем разрядность квантователя: В = 5 разрядов
2.3 Выбор группового сигнала и расчет его параметров
На основании расчетов, приведенных в пункте определение частоты дискретизации,определим длительность интервала времени, в течение которого необходимо передатьинформацию о текущем отсчете входного сигнала. Выберем синхронный метод передачис кадровой синхронизацией. Чтобы на приемной стороне мы могли обработать информациютребуется знать момент времени ее появления. Для этого в начале канального сигнала(кадра) размещается так называемый синхросигнал, который отличается от информационногосигнала. Таким образом кадр состоит из двух частей: сигнала синхронизации и информационногосигнала:
Тк=Тс+Ти,
где Тк — длительность канального сигнала; Тс — длительность синхроимпульса;Ти — длительность информационного сигнала
Причем Тк=1/Fo=1/25*103=4*10-5 сек. = 40мкс.
Имеем 10 каналов, количество элементарных передаваемых символовв каждом канале равно числу уровней квантования В = 5, Т.о. количество элементарныхсимволов в информационном сигнале: Nи = 5*10 = 50. В качествесинхрослова выберем сложный сигнал (составной), в этом случае для уменьшения вероятностиложного срабатывания системы кадровой синхронизации необходимо или выбирать длительностьсинхросигнала ³ 1/2 Ти или вводитьв информационный сигнал запрещенные комбинации, что сильно усложняет аппаратуру.В нашем случае Ти / 2 =12.5, поэтому выберем синхронизацию по кадрам с помощью тринадцатиразрядногокода Баркера. Коды Баркера являются наилучшими в своем классе. АКФ этих кодов имеетузкий центральный пик и минимальный уровень боковых лепестков = 1/N, где N — значность кода.
Количество элементарных символов в кадре:
N =Nс + Nи = 50 + 13 = 63 (шт.)
Длительность элементарного символа:
t = Тк / N = 4 0*10-6/ 63 @ 6.35*10-7=0.635мкс.
Тактовая частота: fт = 1/t = 1.575*106 Гц =1.6 МГц
В первом приближении ширина спектра КИМ-ФМ-ФМ определяется ширинойглавного лепестка:
Df = 2 * (1/t)= 2 * 1/1.6*106 = 3.16*106 Гц = 3.16 МГц
Вид группового сигнала:
/>
2.4 Расчет энергетического потенциала
Энергетическим потенциалом радиолинии называется отношение среднеймощности сигнала к спектральной плотности шума, пересчитанное ко входу приемника.
В задании курсового проектирования задана линия с расстояниеммежду приемником и передатчиком 200 км. Зададимся, что это линия Земля — управляемыйобъект. Линия связи подобного типа предназначена для передачи различных команд спункта управления на борт беспилотного летательного аппарата. Достоверность приематаких команд должна быть весьма высокой, а допустимая вероятность ошибки принятойкоманды составляет 10-5-10-6 и менее.
Данные, необходимые для расчета:
Расстояние между приемником и излучателем r = 200 км.
Длина волны l = 3 см.
Частота f = C / l = 10 ГГц
Наземная передающая антенна параболического типа диаметром 1м.
Бортовая антенна: площадь 0,18 м2; антенна всенаправленная (D = 1)
пороговое отношение С/Ш = hо2 = — Ln (10*10-6)= 11,5 (см. П 2.2)
длительность элементарного символа: t= 0.18мкс (см. П 2.3)
Эквивалентная шумовая температура бортового приемника: Тэ = 1000К; Л: [3] Расчет взят из Л: [3]
В соответствии с известным уравнением дальности связи мощностьсигнала на входе приемника определяется выражением:
Рс вх = Ризл * gЕ * G * Sэ / 4pr2 (2.3)
где Ризл — средняя мощность, излучаемая передатчиком
G — КНД антенны передатчика
Sэ — эффективная площадь приемной антенны
r — расстояние между передатчиком и приемником
gЕ — коэффициент, учитывающийпотери энергии сигнала в среде за счет поглощения:
gЕ = exp ( — 0.23ar); для l = 3 см. a = 0.15 dB/км
Т.о. Рс вх = Ризл * G * Sэ / (4pr2) * exp( — 0.23ar) (2.4)
Если основными помехами в линии связи являются внутренние флуктационныешумы и другие случайные помехи шумового типа, то пересчитав эти помехи ко входуприемника, можно получить результирующую спектральную плотность помех на входе ввиде:
/> (2.5)
где Noi — спектральная плотность случайнойпомехи i — го вида, пересчитанная ко входу приемника
Мощность всех помех на входе приемника, определяемая в полосечастот Dfэ занимаемойспектром сигнала, равна
/> (2.6)
где fо — частота несущей
Выражение (2.6) можно представить в виде
/> (2.7)
В простейшем случае, когда основной помехой являются только внутренниефлюктуационные шумы приемника с равномерной спектральной плотностью No, мощность помехи на входе (при согласованном входе) равна
Рш вх = No Dfэ = к ТэDfэ(2.8)
где к = 1,38*10-23 Дж/К — постоянная Больцмана
Тэ — эквивалентная шумовая температура входа.
С учетом выражений (2.4) и (2.7) отношение средней мощности сигналак средней мощности шума на входе приемника определяется формулой:
/> (2.9)
Это выражение определяет фактическое отношение С/Ш на входе приемникапри известных параметрах линии связи. Пусть для того, чтобы обеспечить требуемуювероятность ошибки при передаче одной двоичной еденицы информации, необходимо иметьэнергетическое отношение С/Ш:
h02 = Е0/N0S = (Рс/Рш)вх * t * Dfэ (2.10)
Тогда требуемое отношение С/Ш на входе приемника:
(Рс/Рш) тр = U h0 2/t Dfэ (2.11)
U — коэффициент запаса,выбирается от 2 до 10
зададимся U = 10
Для того чтобы линия связи обеспечивала передачу информации спомехоустойчивостью не ниже заданной, необходимо выполнить условие:
(Рс/Рш) вх ³ (Рс/Рш)тр (2.12)
Приняв во внимание (2.9), (2.11) и (2.12), имеем:
/> (2.13)
Определим требуемую мощность передатчика:
Sэ = Sпр = 0.18 м2 — эффективная площадь приемной антенны (D = 1)
КНД передающей антенны
G=ha (pDп/l) 2, где
Dп=1м — диаметр передающей антенны
ha — КИП (коэффициент использования площади) — коэффициентучитывающий эффективность использования площади раскрыва антенны (0,55 для параболической)
G=0,55 (3,14*1/0.03) 2 = 6025;G = 38 дБ.
Мощность передатчика:
Рпер * 3.911 * 104 ³1.15 * 106
Рпер ³ 1.15 Вт, ВозьмемРпер = 5 Вт.
2.5 Выбор структурной схемы передатчика
Передаваемые аналоговое сигналы через коммутатор, подаются наАЦП, в котором они преобразуются в цифровой код. Каждому аналоговому сообщению соответствуетсвое кодовое слово. Все кодовые слова имеют одинаковую разрядность (8). При заданномдинамическом диапазоне 10 дБ можно применять восьмиразрядное линейное квантование.С помощью преобразователя кода (регистр) параллельный код преобразуется в последовательный.Все слова от источников сообщений образует кадр. Для определения в приемнике началакадра в него вводится в синхрослово (выбираем семиразрядный код Баркера). Объединениесинхрослова и кодовых слов происходит в сумматоре. Далее сигналы поступают на фазовыйманипулятор в котором манипуляция фазы происходит по закону ОФМ. Сформированнымфазоманипулированным сигналом осуществляется фазовая модуляция несущего колебания.С помощью системы синхронизации происходит управление работой передающей части радиолинии.Подключение аналоговых сигналов U1 (t),U2 (t) ………U5(t) к АЦП происходит с периодом, который определяется частотойпроцессов U,U2……U5 (fв=5 Гц.). Система синхронизации управляеттакже работой регистра и вырабатывает также работой регистра и вырабатывает запускающийимпульс по которому формируется код Баркера, т.е. синхрослово.
2.6 Структурная схема приемника
На выходе фазового детектора высокочастотной части приемникаформируется фазоманипулированный сигнал на поднесущей частоте fподт.е. сигнал с ОФМ. После УПЧ иФД2 формируется последовательность прямоугольных импульсовдалее поступающих на устройство сравнения (УС) и элемент памяти (ЭП) которые используютсядля распознавания кода. Управляет работой схема посимвольной синхронизации, котораявырабатывает периодическую последовательность импульсов (меандр.) тактовой частоты.В данном приемнике используется метод когерентного приема сигналов с ОФМн т.к. некогерентныйприем может осуществляться только при скорости передачи не более 200 бод ввиду того,что очень трудно реализовать кинематические фильтры на большие частоты.
Выделенная последовательность импульсов далее поступает на триггердалее на дешифратор кода Баркера после чего на регистр преобразующий последовательныйкод в параллельный, далее на ЦАП, который преобразует код в выборку соответствующейамплитуды далее на селектор каналов.
Управляет работой ЦАП, СК и дешифратора пересчетная схема, задачакоторой заключается в разрешении и запрещении работы ЦАП, регистра и СК по приходукадровой синхронизации (импульс с дешифратора) и пересчет импульсов строчной синхронизациив импульсы канальной.2.7 Описание функциональной схемы передатчика
В начальный момент времени из триггера на выходе логическая “1”. Тактовые импульсы через схему И3 проходят на формирователь кода Баркера и на счетчик СЧ1. С ФКБ черезоткрытый ключ К2 код Баркера (7-разрядный) проходит на вход схемы формирования командОФМ (Т-триггер). В это время счетчик СЧ1 производит подсчет количества тактовыхимпульсов равного количеству импульсов кода. При окончании седьмого импульса в началевосьмого на выходе СЧ1 формируется импульс переполнения, который через схему И4обнуляет СЧ1 и переключает триггер в положение логического 0. С этого момента К2переключается на второй вход, через схемы И1 и И2 импульсы синхронизации поступаютна К1 и АЦП, а схем И3 запрещает их поступление на ФКБ. СЧ2 нужен для подсчета количестватактовых импульсов равного количеству импульсов кода и на 41 импульсе выдает импульспереполнения, который переводит триггер в положение “1”, которая обнуляет СЧ2 и весь цикл формирования кадра повторяется снова.
Т — триггер формирует из потока “0” и “1” поток по закону если “0” то на выходе триггера скачок если 1 то сигнала нет. Далее происходитманипуляция фазы по полученному закону.2.8 Описание функциональной схемы приемника.
После каскадов ВЧ и ФД1 и УПЧ мы получаем сигнал КИМ-ОФМ, которыйпоступает на ФД2 УФОН которого построен по схеме Пистолькорса. Это наиболее простаясхема УФОН приемлемая в данном случае т.к. ОФМ нечувствительна к обратной работефазового детектора. После ФД2 и УО получаем последовательность прямоугольных импульсовнашего кода обработанного законом ОФМ. Схема 1 представляет собой сравнивающее устройство,а два D-триггера являются элементом памяти. Они включеныпо схеме ведущий-ведомый тактовая частота подаваемая на триггера равна половинечастоты посимвольной синхронизации.
Далее сигнал представляющий наш кадр поступает на оптимальныйфильтр кода Баркера, состоящий из линии задержки и сумматора, который при определениикода выдает на выходе импульс 1 длительностью t0(длительность одного символа) сумматор построен на жесткой логике по принципу n из к (6 из 7) верхних символов кода.
Импульс с выхода сумматора приходит на схему запуска котораяразрешает работу сдвигового регистра и счетчиков СЧ1 и СЧ2. СЧ1 формирует импульсыс частотой fт/8 которые разрешают считывание параллельногокода 1-го из каналов в ЦАП формирующего 1 выборку длительностью t0за время одного канала. СЧ2 производитподсчет каналов и выводит их номер в двоичном коде, которым управляются коммутаторыКК1 И КК2 старший разряд (А3) СЧ2 используется для выбора коммутатора.0 работаетКК1 1 работает КК2. С выходов коммутаторов поступают на фильтры НЧ которые служатдля выделения канальных сигналов U1,U2…U5. Такая схема коммутации позволила применить 1 сдвиговый регистри один ЦАП.
2.9 Схемная разработка системы кадровой синхронизации
В цифровых командных радиолиниях необходимо применять кадровую синхронизацию.В качестве сигналов кадровой синхронизации часто используются составные сигналы,причем выделение этих слов в приемнике осуществляется с помощью пассивного согласованногофильтра. Напряжение на выходе согласованного фильтра воспроизводит автокорреляционнуюфункцию синхронизирующего сигнала. Для уменьшения ошибок, возникающих при обнаружениисинхронизирующего сигнала и определении его временного положения, автокорреляционнаяфункция должна иметь узкий центральный пик и малый уровень “боковых” выбросов. Подобнымсвойством обладают ряд широкополосных сигналов, в том числе сигналы, сформированныена основе некоторых двоичных кодов.
В данной работе выбран синхронизирующий сигнал в виде 7-значного кодаБаркера, его нормированная автокорреляционная функция показана на рис.
Функциональная схема устройства декодирования кадрового синхронизирующегосигнала
Принятый сигнал поступает на линию задержки. Расстояние междуотдельными отводами этой линии соответствует длительности элементарных импульсовкода. Максимальное время задержки синхронизирующего сигнала равно полной длительностиэтого сигнала Тз. Сигналы которые снимаются с отводов линии задержки, поступаютна сумматор. При этом часть сигналов проходит через инверторы, изменяющие полярностьсигналов. Пространственное расположение отводов линии задержки, к которым подключенымнверторы, воспроизводит в обратном порядке временное положение символов «0»,имеющих в составе рассматриваемого синхронизирующего колового слова. Тем самым обеспечиваетсясинхронное накопление энергии отдельных импульсов этого слова в сумматоре. К выходусумматора подключен фильтр, который согласован с одиночным видеоимпульсом длительности.
В момент окончания принятого синхронизирующего кодового слова на выходесогласованного фильтра образуется короткий импульс значительной амплитуды, которыйсоответствует центральному «пику» автокорреляционной функции. С помощьютаких импульсов осуществляется запуск пороговой схемы предназначенной для выделенияотдельных синхронизирующих сигналов.
3. Контур управления и его анализ
Радиотелемеханической системой называется совокупность устройств, предназначенныхдля управления состоянием и работой различных приборов и агрегатов.
В комплексах ЛА радиотелемеханические системы используются для управлениябортовыми приборами и агрегатами, а также состоянием летательных аппаратов в целом.Такое управление осуществляется подачей на исполнительные устройства приборов иагрегатов (объектов управления) соответствующих команд. Команды формируются на основеконтроля (измерения) некоторой в общем случае многомерной величиныg (t), котораянепосредственно или косвенно характеризует либо условия, в которых находился объектуправления, либо текущее состояние объекта. Для осуществления такого контроля всостав радиотелемеханических систем включаются либо те или иные радиоизмерительныеустройства, либо датчики — преобразователи неэлектрических величин в электрические.Формирование команд осуществляется в решающих устройствах. Которые в простейшихслучаях представляют собой схемы сравнения и реле, а в более сложных — счетно-решающиеприборы и системы обработки результатов измерений. Команда поступает на управляемыйобъект через исполнительное устройство.
Различают автономные и неавтономные радиотелемеханические системы. Впервых команды формируются на борту ЛА, во вторых — на пункте управления и передаютсяна борт летательного аппарата по командной радиолинии.
Контур управления неавтономной радиотелемеханической системы с обратнойсвязью:
/>
Uk’ (t) Uk (t)
Fy (t)
Yo (t)
Y* (t) Y (t)
Информация о состоянии и работе объектов управления — бортовых приборови агрегатов — получают с помощью датчиков, устанавливаемых на борту ЛА и связанныхс контролируемыми величинами g (t). Полученные с датчиков и соответствующим образом обработанныевеличины поступают непосредственно или через запоминающее устройство на вход телеметрическойрадиолинии и передается по ней на пункт управления. На пункте управления в устройствевыделения и обработки телеметрической информации получается оценка состояния объектовуправления g* (t), необходимая для осуществления требуемого управления бортовымиприборами и агрегатами. Формирование команд осуществляется в результате сравненияоценки g* (t)с величиной gо (t), задающей необходимое состояние объектов управления. Сформированныекоманды по командной радиолинии передаются на борт ЛА и поступают на исполнительноеустройство, воздействующее на объекты управления. Контур радиотелемеханическогоуправления оказывается замкнутым. В зависимости от решаемых задач, такое управлениеосуществляется либо как следящее, либо как корректирующее.
4. Разработка функциональной схемы радиолинии
4.1 Некоторые сведения об используемом сигнале
Как уже было отмечено в данной работе разрабатывалась совмещеннаярадиолиния КИМ-ФМ-ФМ. Интерес к цифрово передачесообщений с помощью фазовой модуляции вызван в первую очередь тем, что согласнофундаментальным результатам теории потенциальной помехоустойчивости среди двухпозиционныхсигналов противоположные сигналы, т.е. сигналы с однократной ФМ, потенциально обладаютнаибольшей помехоустойчивостью. Но при демодуляции простого фазоманипулированногосигнала возникает сложность в получении синхронного опорного напряжения, имеющегонеизменную начальную фазу “явление обратной” работы фазового детектора. Имеетсянесколько методов и схем построения формирователя опорного колебания. Рассмотримсхему Костаса, обеспечивающую высокую помехозащищенность. В 1956 г. Американский ученый Д. Костас предложил схему формирования опорного напряжения для синхронного(когерентного) детектирования фазоманипулированных сигналов.
Эта схема показана на рисунке:
/>
Влияние манипуляции фазы сигнала устраняется в ней перемножителем,на один вход которого поступает сигнал с выхода усилителя-ограничителя, а на второй- сигнал с выхода фазового детектора (ДФ) системы ФАП. По сравнению с другими схемамиформирования такой способ снятия манипуляции обеспечивает более высокую помехоустойчивостьсхемы с флюктуационными помехами. Недостатком схемы является некоторая ее сложность,обусловленная тем, что перемножитель должен работать на постоянном токе. Это приводитк необходимости пропускания постоянных и очень медленно меняющихся напряжений, вплотьдо управителя частоты. При этом входы перемножителя оказываются связанными гальваническии для их взаимной развязки необходимо применять мостовые схемы постоянного тока.
Так же, как и другие схемы, схема Костаса имеет склонность кпереходу в режим «обратной работы», так как в ней также возможны два устойчивыхзначения начальной фазы опорного напряжения, отличающиеся на 1800.
4.2 Функциональная схема передающей части
/>
4.3 Описание функциональной схемы передатчика
Канальные аналоговые сигналы поступают на кодирующее устройство,где преобразуются в цифровую форму. На выходе кодирующего устройства (т.1) имеетсяпоследовательность кодовых слов, представленных в последовательной форме в видекомбинации 0 и 1 и расположенных по порядку в соответствии с номерами каналов. Этапоследовательность поступает на сумматор. Сюда же с генератора кадрового синхросигналаподается 13-ти разрядный код Баркера, являющийся кадровым синхросигналом. Работойкодирующего устройства и генератора кадрового синхросигнала управляет схема синхронизации,задача которой состоит в том, чтобы перед началом каждого кадра разрешать работугенератора кадрового синхросигнала и одновременно запрещать выход импульсов с кодирующегоустройства. После окончания выдачи кадрового синхросигнала схема синхронизации сбрасываетгенератор синхросигнала в начальное состояние, запирает генератор кадрового синхросигналаи разрешает работу кодирующего устройства. После выдачи информации о последнем каналесхема синхронизации сбрасывает в начальное состояние кодирующее устройство, запрещаетего работу и разрешает работу генератору кадрового синхросигнала и т.д. процессповторяется.
На выходе сумматора имеем групповой сигнал (т.3), который далееподается на вторую ступень модуляции. На выходе второй ступени модуляции (т.5) имеемсигнал КИМ-ФМн, который далее подается на третью ступень модуляции, с выхода которойна усилитель мощности поступает сигнал КИМ-ФМ-ФМ. После усиления сигнал излучаетсяв пространство передающей антенной параболического типа.4.4 Описание функциональной схемы приемника
Сигнал принимается приемной ненаправленной антенной и поступаетна усилитель высокой частоты (УВЧ).
После усиления сигнал подается на преобразователь частоты, выполненныйна смесителе СМ-1 и местном гетеродине МГ. На выходе смесителя образуется сигналразностной частоты (т.1) являющейся промежуточной. Далее сигнал усиливается усилителемпромежуточной частоты (УПЧ) и подается на фазовый детектор несущего колебания. СМ-1иУПЧ являются одновременно элементами схемы беззапросного измерения радиальной скорости,работа которой подробно описывалась в п. (4.2).
С выхода фазового детектора несущего колебания сигнал КИМ-ФМнчерез полосовой фильтр, отсеивающий побочные составляющие, подается на вход второгофазового детектора, образующего вторую ступень демодуляции. На второй вход этогофазового детектора подается опорное колебание с выхода схемы формирования опорногоколебания, выполненной по схеме Костаса. Работа этой схемы подробно описана в п.(4.1).
С выхода второй ступени демодуляции сигнала (т.3) последовательностьвидеоимпульсов, образующих групповой сигнал, подается на схему распознавания символов,выполненную на интеграторе и решающем устройстве, и одновременно на схемы кадровойи тактовой синхронизации. С выхода схемы распознавания символов двоичная последовательностьподается на декодирующее устройство, которое восстанавливает канальные сигналы изприходящей на него двоичной последовательности.
Работой декодирующего устройства и схемы распознавания символовуправляют схемы кадровой и тактовой синхронизации. Схема тактовой синхронизацииформирует импульсы с частотой равной частоте следования элементарных символов. Этиимпульсы сбрасывают интегратор в начале каждого элементарного интервала, запускаютрешающее устройство в конце каждого элементарного интервала и управляют регистрамисдвига декодирующего устройства. Более подробно о работе и реализации схемы тактовойсинхронизации будет сказано в п. V.
Схема кадровой синхронизации необходима для правильной работыдекодирующего устройства. Она в начале каждого кадра сбрасывает сдвиговые регистрыи разрешает работу декодирующего устройства после окончания приема кадрового синхросигнала.В конце кадра схема кадровой синхронизации разрешает работу схемам восстановленияканальных сигналов. Схема кадровой синхронизации выполнена на основе оптимальногофильтра для 13-ти элементного кода Баркера.
5. Разработка принципиальной схемы системы тактовойсинхронизации
Выберем схему с добавлением и исключением, имеющую следующиедостоинства:
· нетвмешательства в колебательный контур местного тактового генератора, следовательноего можно сделать высокостабильным.
· дискретностьизменения фазы можно сделать очень небольшой величины
Недостатком схемы является то, что при передаче подряд большогоколичества одинаковых символов повышается вероятность выхода системы из синхронизма.
Функциональная схема системы тактовой синхронизации с добавлениеми исключением:
Работа схемы:
/>
Задающий генератор вырабатывает меандр с частотой Fзг = m * f т, далее меандр поступает формирователь,формирующий короткие импульсы. Эти импульсы поступают на схему добавления и исключенияединиц, которая работает следующим образом: если в момент времени между входнымиимпульсами приходит импульс на вход +1, то в последовательность добавляется одинимпульс между входными; если в момент времени между входными импульсами приходитимпульс на вход — 1, то из исходной последовательности исключается один импульс.Если ни на один из входов сигнал не подан, то исходная последовательность проходитна выход без изменений. На выходе делителя, выполненного на базе счетчика, будетмеандр частоты, зависящей от количества добавленных или удаленных единиц в единицувремени и дискретностью, зависящей от коэффициента деления делителя.
6. Конструкция бортового приемника
Современные воздушные летательные аппараты могут перемещаться в атмосферес огромными скоростями, что создает для работы антенн сложные условия. При большойскорости полета наблюдается значительный аэродинамический (кинетический) нагревкорпуса летательного аппарата (ЛА). Этот нагрев в полной мере испытывают все устройства,расположенные вблизи корпуса ЛА, а в особенности антенны, так как они располагаютсялибо на обшивке ЛА, либо под обшивкой ЛА.
При проектировании антенн для ЛА, в особенности при выборе местаих размещения на корпусе ЛА, необходимо учитывать, что при достаточно большой электроннойконцентрации плазма может оказать на работу антенн сильное влияние, вплоть до полногонарушения работы радиолинии.
Сильное воздействие набегающего потока воздуха из-за большойскорости полета современных ЛА является причиной значительных механических усилий,испытываемых отдельными частями корпуса летательного аппарата, в том числе бортовойаппаратурой и антеннами. Эти усилия особенно велики в том случае, когда антеннаявляется наружной. Механическое воздействие воздушного потока заметно увеличиваетсяс ростом скорости полета и существенно зависит от формы и размеров антенн. Однакодаже в том случае, когда антенна является не выступающей, на нее, тем не менее,передаются значительные механические усилия, испытываемые другими частями корпусаЛА.
Щелевые антенны являются одним из типов антенн, наиболее частоприменяемых в ЛА. В радиолиниях телеметрии и командного управления обычно требуетсяненаправленное излучение приемных антенн, поэтому находят применение круговые решеткищелей, расположенные по периметру цилиндрической части корпуса ЛА.
При разработке многощелевой антенны необходимо решить вопросыо способе питания щелевых излучателей, об их ориентации относительно продольнойоси ЛА и общем числе излучателей. Остановимся кратко на этих вопросах.
Применяются два способа питания излучателей. Первый из них состоитв том, что прямоугольный волновод сворачивается вокруг широкой или узкой стенкев кольцо и в наружной стенке, находящейся на уровне обшивки ЛА, прорезаются щели,образующие таким образом круговую решетку излучателей. Наружная стенка закрываетсядиэлектрическим защитным слоем.
Применение кольцевой волноводно-щелевой антенны наталкиваетсяна 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 значительноослабит механическую прочность корпуса. Можно не нарушать целостности обшивки, предусматриваяв ней паз, в котором с наружной стороны уложен кольцевой волновод рис.5:
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Рис. 5.
Это, однако, усложняет конструкцию самого корпуса ЛА. При большомдиаметре ЛА волноводно-щелевая антенна имеет значительный вес, что также являетсянедостатком.
Достоинством волноводно-щелевой антенны является возможностьполучения 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-щелевойантенны преимущественно применяется другой способ питания щелевых излучателей. Онсостоит в том, что по периметру корпуса ЛА размещаются несколько одиночных излучателей,которые питаются с помощью делителей мощности, направленных ответвителей и другихволноводных узлов, а также разветвленной фидерной (волноводной) системы питания.
Данная схема питания обладает достаточной гибкостью, так каквыбором длин фидеров (волноводов) и соответствующих делителей мощности можно получитьразнообразные амплитудно-фазовые распределения полей в щелях.
Рассмотрим теперь вопрос об ориентации щелей. Преимущественноприменяются поперечные или продольные щели. Следует учитывать, что прямолинейнаящель в Е-плоскости имеет широкую диаграмму направленности, а в Н-плоскости болееузкую диаграмму и по своей продольной оси не излучает. Следовательно чтобы антеннаобеспечивала интенсивное излучение под малыми углами к продольной оси ЛА, то целесообразноприменять поперечные щели. Вместе с тем, необходимо учитывать, что при одном и томже числе щелей угол перекрытия диаграммы соседних излучателей, в экваториальнойплоскости, будет больше для продольных осей, чем для поперечных. С этой точки зрениятакже заслуживают предпочтения поперечные щели, так как благодаря направленностиэтих щелей в Н-плоскости зоны глубоких провалов, вызванные интерференцией полейсоседних излучателей, будут более узки, чем в случае применения продольных щелей.
Теперь остановимся на конструкции самого приемника. К бортовойаппаратуре применяются очень жесткие и в тоже время противоречивые требования:
· жесткаяограниченность габаритов и массы
· ограниченияв энергопотреблении
· способностьработы в вакууме
· стойкостьк мощным тепловым ударам
· стойкостьк совместному действию вибрационных и линейных нагрузок (до 10 G)
· чрезвычайновысокая надежность
Рассмотрим климатические факторы, влияющие на бортовую аппаратуруи их последствия.
1. Повышенная температура — высыханиезащитных покрытий с растрескиванием, миграция примесей в полупроводниках, изменениеэлектрических характеристик радиоэлементов, деформация деталей.
2. Пониженная температура — изменениеэлектрических характеристик радиоэлементов, деформация деталей, конденсация влаги.
3. Повышенная влажность — увеличениепаразитных емкостей, снижение сопротивления диэлектриков, опасность термоудара.
4. Пониженное давление — снижение пробивногонапряжения волноводов, печатного монтажа и др., ухудшение теплоотдачи.
5. Солнечная радиация — старение диэлектрикови разрушение покрытий.
6. Механический фактор:
а) вибрации
б) удары
в) ускорения
г) акустические шумы
При разработке приемника следует выполнять все вышеперечисленныетребования с учетом влияния климатических факторов.
При выборе элементной базы следует отдать предпочтение полностьюполупроводниковому варианту. В целях повышения надежности следует отдать предпочтениепечатному монтажу. Из-за наличия сильных электромагнитных полей необходимо тщательноэкранировать отдельные узлы приемника, особенно высокочастотную часть и УПЧ. Приразработке принципиальной схемы нужно стараться использовать щадящие режимы работыактивных элементов, учитывать неблагоприятные тепловые условия, применять схемотехническиерешения, позволяющие снизить энергопотребление при заданных характеристиках, всенамоточные узлы необходимо заливать изоляционными материалами (эпоксидной смолой).Необходимо обеспечить герметичность корпуса приемника с возможностью ремонта и обеспечитьнадежное его крепление на борту ЛА. В качестве подводящей линии к антеннам следуетвыбрать гибкий каоксиальный кабель, устройства СВЧ необходимо выполнять преимущественнов полосковом варианте.
Список литературы
1. Основы радио управления. Под. Ред.В.А. Вейциля и В.Н. Типугина М.: 1973г.
2. Пенин П.И. Системы передачи цифровой информации. /M.:«Сов. Радио»1976г.
3. Тепляков И.М., Рощин Б.В., Калашников И.Д. Радиолинии космических системпередачи информации. /М.: Сов. Радио, 1975-399с.
4. Тепляков И.М., Рощин Б.В., Фомин А.И., В.А. Вейциль. Радиосистемы передачиинформации. /Радио и связь, 1982-265с.
5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. /М.: Высшая школа 1998-430с.