Цифровая радиолиния КИМ-ЧМ-ФМ (стр. 2 из 4)

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:

Р_{С ВХ}=Р_ИЗЛg_ЕGS_Э/4pr²; (1)

где Р_ИЗЛ=(10³¸10⁵)Вт- мощность сигнала, излучаемого передатчиком.

G- КНД антенны передатчика.

r = 250км- расстояние между передатчиком и приемником.

g_Е- коэффициент, учитывающий потери энергии сигнала в среде за счет поглощения.

g_Е=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:

Р_{С ВХ}=Р_ИЗЛ(GS_э/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:

N_Оå(f)=åN_ОI(f) (4)

где N_OI-- спектральная плотность случайной помехи i-го вида, пересчитанная ко входу приемника.

Мощность всех помех на входе приемника, определяемая в полосе частот f_э занимаемой спектром сигнала, равна:

f₀+f_э/2

Р_{Ш ВХ}=òN_Оå(f)¶f ; (5)

f₀-f_э/2

где f₀- частота несущей.

Выражение (5) можно представить в виде:

Р_{Ш ВХ}=N_Оå(f)f_Э=N_Оåf_Э ; (6)

В простейшем случае, когда основной помехой являются только внутренние флюктуационные шумы приемника с равномерной спектральной плотностью N₀ , мощность помехи на входе (при согласованном входе) равна:

Р_{Ш ВХ}=кТ_Эf_Э ; (7)

где к- постоянная Больцмана (к=1,38*10^-23Дж/к).

Т_э- эквивалентная шумовая температура входа.

С учетом выражений (3) и (6) отношение средней мощности шума на входе приемника определяется формулой:

(P_C/P_Ш)_ВХ=(Р_ИЗЛGS_Э/4pr²N_Оåf_Э)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:

h²_O.ТР=Е_О/N_Oå=(P_C/P_Ш)_ВХ*t_О*f_Э; (9)

Тогда требуемое отношение сигнал / шум берут с некоторым запасом (системный запас), т.е.

(P_C/P_Ш)_ТР=g_СИСТh²_O.ТР/t_О*f_Э; (10)

где g_CИСТ- коэффициент запаса, выбирается от 2 до 10. Зададимся g_CИСТ=4.

Для того чтобы линия связи обеспечивала передачу информации с помехоустойчивостью не ниже заданной, необходимо выполнить условие:

(Р_С/Р_Ш)_ВХ³(Р_С/Р_Ш)_ТР; (11)

Приняв во внимание (8), (10) и (11) имеем:

(Р_ИЗЛGS_Э/4pr²N_Oå)exp(-0.23ar)³g_СИСТh²_{o ТР}/t_О; (12)

Шумовая температура: Т_э=1000 К;

Отношение с/ш: g=50Дб;

Длительность элементарного символа: t_О=75,3 мкс;

Длина волны: l=14,8 см;

Коэффициент запаса: g_СИСТ=4;

Коэффициент затухания: a=0,1 дБ/км;

Коэффициент, учитывающий уменьшение скорости передачи: g_R=0,75

Расстояние между передатчиком и приемником: r=250 км;

Скорость передачи информации – R = g_R * log₂ n/ t_О = 23000 бит/с;

Спектральная плотность флюктуационных шумов на входе приемника - N_O= кТ_э= 1,38 * 10^-20

Диаметр бортовой антенны: d=0.5 м;

Диаметр антенны наземной станции: D=25 м;

Коэффициент использования поверхности антенны: h_А=0,55;

Требуемая средняя мощность сигнала излучаемого передатчиком в нашем случае выразится формулой:

Р_ИЗЛ³g_СИСТ /g_R * ln (1/2Р_ош ) * R * N_O *(4lr/pdDh_А)² =1,74 * 10^-6;

Берем Р_ИЗЛ = 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.

L_Д=L_АФУ+L_НАВ+L_АТМ+L_ПОЛ ,

где L_АФУ - потери в передающих и приемных антенно-фидерных устройств;

L_НАВ - потери из-за неточности наведения приемной и передающей антенн;

L_АТМ - потери при распространении сигнала в атмосфере;

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

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 g_пор. В момент совпадения этих величин (g(t)= g_пор) выдается разовая команда в виде скачка напряжения или в виде импульса, поступающая на исполнительное устройство. С выхода исполнительного устройства осуществляется управляющее воздействие F_y(t) на объект управления.

Неавтономные радиотелемеханические системы осуществляются как без обратной связи, так и с обратной связью. В обоих случаях на пункте управления принимается решение о формировании команды и осуществляется ее формирование. Сформированная команда U_к^’(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) c величиной g_О(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.