Московский ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ Авиационный Институт имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

(технический университет)

Кафедра 402

“радиосистемы управления и передачи информации”

Курсовой проект

на тему

Москва 2010 год

Содержание

Задание 3

Планета Венера 4

Общие сведения 4

Атмосфера планеты Венера 5

Цифровая радиолиния с проверочной обратной связью 5

Уплотнение и разделение каналов 7

Частотное уплотнение и разделение каналов 7

Временное уплотнение и разделение каналов 8

Цифровая радиолиния с сигналом КИМ-ФМ 10

Основной тракт радиолинии 11

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАП) 12

Система синхронизации 14

Борьба с импульсными помехами 16

Расчет 19

Определение параметров имитационной модели 20

Анализ результатов расчета и моделирования 22

Литература 22

Задание

Планета Венера

Рассмотрим космический объект, который должен быть изучен в ходе исследований, проведенных ниже описанной системой. Надо заметить, что такие системы до сих пор ни кто не сделал, и в ближайшем будущем вряд ли будет делать.

Общие сведения

Венера, вторая по счету планета Солнечной системы. Она имеет такой же размер, как Земля, а ее масса более 80% земной массы. Расположенная ближе к Солнцу, чем наша планета, Венера получает от него в два с лишним раза больше света и тепла, чем Земля.

Рисунок 1 Планета Венера

Венера подходит к Земле ближе, чем какая-либо другая планета. Но плотная, облачная атмосфера не позволяет непосредственно видеть ее поверхность. Снимки, сделанные с помощью радара, демонстрируют очень большое разнообразие кратеров, вулканов и гор. Температура поверхности достаточно высока, чтобы расплавить свинец, а когда-то на этой планете, возможно, имелись обширные океаны. Венера имеет почти круговую орбиту, которую она обходит за 225 земных суток на расстоянии 108,2 млн. км от Солнца. Поворот вокруг оси Венера совершает за 243 земных дня - максимальное время среди всех планет. Вокруг своей оси Венера вращается в обратную сторону, то есть в направлении, противоположном движению по орбите. Такое медленное, и притом обратное, вращение означает, что, если смотреть с Венеры, Солнце восходит и заходит всего лишь два раза за год, поскольку венерианские сутки равны 117 нашим. Венера подходит к Земле на расстояние 45 млн. км - ближе, чем любая другая планета. По своим размерам Венера лишь немного меньше Земли, и масса у нее почти такая же. По этим причинам Венеру иногда называют близнецом или сестрой Земли. Однако поверхность и атмосфера этих двух планет совершенно различны. На Земле есть реки, озера, океаны и атмосфера, которой мы дышим. Венера - обжигающе горячая планета с плотной атмосферой, которая была бы губительной для человека.

До начала космической эры астрономы знали о Венере очень мало. Плотная облачность мешала им увидеть ее поверхность в телескопы. Космическим кораблям удалось пройти сквозь атмосферу Венеры, состоящую в основном из углекислого газа с примесями азота и кислорода. Бледно-желтые облака в атмосфере содержат капельки серной кислоты, выпадающей на поверхность кислотными дождями. Орбита Венеры ближе к Солнцу, чем орбита Земли. Когда Венера находится с противоположной стороны, освещен весь ее диск, а когда она расположена между Землей и Солнцем, мы видим только часть освещенного Солнцем полушария. По этой причине у Венеры, как и у Луны, имеются различные фазы в зависимости от ее местоположения на орбите.

Атмосфера планеты Венера

Атмосфера Венеры крайне жаркая и сухая. Температура на поверхности достигает своего максимума примерно у отметки 480°С. В атмосфере Венеры содержится в 105 раз больше газа, чем в атмосфере Земли. Давление этой атмосферы у поверхности очень велико, в 95 раз выше, чем на Земле. Космические корабли приходится конструировать так, чтобы они выдерживали сокрушительную, раздавливающую силу атмосферы.

Рисунок 2 "Венера-4"

В 1970 г. первый космический корабль, прибывший на Венеру, смог выдержать страшную жару лишь около одного часа - этого как раз хватило, чтобы послать на Землю данные об условиях на поверхности. Российские летательные аппараты, совершившие посадку на Венеру в 1982 г., послали на Землю цветные фотографии с изображением острых скал.

Благодаря парниковому эффекту, на Венере стоит ужасная жара. Атмосфера, представляющая собой плотное одеяло из углекислого газа, удерживает тепло, пришедшее от Солнца. В результате скапливается большое количество тепловой энергии.

Цифровая радиолиния с проверочной обратной связью

Рассмотрим обратную связь, используемую в системе связи “шар-зонд” – ИСВ. Один из эффективных методов повышения достоверности передачи информации основан на использовании радиолинии с проверочной обратной связью. Такие радиолиния содержат прямой канал (“шар-зонд” — “ИСВ”) и обратный канал (“ИСВ” — “шар-зонд”). С помощью обратной связи осуществ­ляется контроль за прохождением передаваемой информации. В результате применения обратной связи достигается исправление обнаруженных ошибок при приеме переданной информации и «стирание» ложных команд, возникающих в паузах, при наличии соответствующих помех.

Рисунок 3 Функциональная схема радиолинии с информационной обратной связью

Возможны два основных варианта осуществления проверочной обратной связи: первый вариант соответствует радиолиниям с инфор­мационной обратной связью; второй вариант — радиолиниям с решаю­щей обратной связью. Кроме того, находят применение радиолинии с комбинированной обратной связью, в которых одновременно используются принципы информационной и решающей обратной связи.

В нашем случае мы воспользуемся информационной обратной связью, так как она больше подходит для ортогонального сигнала при приеме “в целом”. В радиолинии с информационной обратной связью, обобщенная функциональная схема которой приведена на Рисунок 3, по обратному каналу передаются сведения о том, какую информацию зарегистрировал бортовой приемник. Принятая информация записывается в бортовое запо­минающее устройство и исполняется только после принятия решения об отсутствии в ней искажений. Такое решение выносит “шар-зонд” путем сравнения переданной информации со сведениями, по­лученными по каналу обратной связи.

В зависимости от результатов подобной проверки изменяется по­рядок дальнейшей работы радиолинии. При отсутствии обнаруженных оши­бок управляющее устройство “шара-зонда” формирует сигнал (функциональную команду), разрешающий использовать ранее принятую информацию. Этот сигнал передается по прямому каналу, после чего про­изводится передача очередного блока информации. При обнаружении ошибки формируется и передается функциональная команда, с помощью которой обеспечивается «стирание» неправильно принятой команды уп­равления. В дальнейшем осуществляется повторная передача того же блока информации.

При анализе помехоустойчивости цифровых радиолиний с проверочной обратной связью вычисляют остаточную вероятность регистрации ошибочной информации , которая возникает вследствие необнаруженных ошибок. Важное значение имеет также среднее число передач отдельного блока информации . Значения и зависят от характеристик прямого и обратного каналов радиолинии и от характеристик помех, действующих в этих каналах.

Рассмотрим способы вычисления величин и . При выборе структуры сигналов радиолинии с обратной связью стремятся обеспечить малую вероятность искажений функциональных команд и сообщений. В дальнейшем полагается, что такие искажения отсутствуют (искажения в обратном канале будут учитываться только для случая полной ретрансляции).

Процесс передачи сообщений можно представить как последовательность отдельных циклов. Каждый цикл включает в себя передачу сообщения по прямому каналу радиолинии и передачу соответствую­щей информации по каналу обратной связи. В момент окончания каж­дого цикла возможны следующие три ситуации:

1. ошибки в прямом канале отсутствуют, и команда принята пра­вильно (вероятность );

2. имеется необнаруженная ошибка (вероятность );

3. имеется обнаруженная ошибка (вероятность ).

В последнем случае производится повторная передача команды. Перечисленные ситуации составляют полную группу случайных событий. При повторной передаче команды, то есть в следующем цикле, снова возникает одна из указанных ситуаций.

Рассмотрим случай, когда общее число повторений передачи сообщений ограничено величиной . Примем, что результаты отдельных передач представляют собой независимые случайные события. Вероятность появления необнаруженной ошибки после повторения одной команды составляет величину , где второй множитель харак­теризует вероятность появления обнаруженной ошибки в предыдущих циклах передачи. Остаточная вероятность регистрации ошибочной команды находится по формуле

. (1)

Среднее число передач отдельного блока сообщения определяется формулой

. (2)

где - вероятность передачи команды.

Вероятность вычисляется в предположении, что в каждом из предыдущих циклов обнаружена ошибка, а в цикле с номером обнаружение ошибки не имело места:

. (3)

Уплотнение и разделение каналов

Рассмотрим уплотнение и разделение каналов, предусмотренных в нашей системе. Известны линейные и нелинейные методы уплотнения и разделе­ния каналов. В командных радиолиниях основное применение полу­чили линейные методы с использованием ортогональных сигналов. К числу линейных методов разделения каналов относятся времен­ное, частотное и структурное разделение (соответственно различают временное, частотное и структурное уплотнение каналов). Временное и частотное разделение каналов основано на использовании сигналов, которые не перекрываются между собой во временной или частотной области, что обеспечивает ортогональность этих сигналов. При времен­ном разделении каналов используются устройства типа временного селектора или коммутатора. Частотное разделение каналов произво­дится с помощью полосовых фильтров.

Частотное уплотнение и разделение каналов

Частотное уплотнение канала (ЧУК). Такое уплотнение основано на принципе частотного преобразования спектров сообщений отдель­ных источников на передающей стороне системы связи. Для это­го используется набор гармонических поднесущих с разны­ми частотами . Модулируя (или манипулируя) поднесущие, можно получить канальных сигналов , каждый из которых занимает полосу частот , зависящую от ширины спектра исходных сообщений и вида модуляции. Чтобы уменьшить взаимное влияние соседних каналов и облегчить их разделение, между каналами вводят защитные частотные проме­жутки (полосы) . Поэтому полная полоса частот, занимаемая каждым каналом

(4)

где — защитный коэффициент полосы.

Рисунок 4 Спектр многоканального сообщения при частотном уплотнении каналов

Значение частоты нижней поднесущей обычно выбирается не ме­нее , где — ширина спектра модулированной ниж­ней поднесущей. При таком выборе частоты выделение и демоду­ляция нижней поднесущей в приемной части системы связи не встречает затруднений.

Частотное разделение каналов (ЧРК). При частотном разде­лении канальные селекторы представляют собой полосовые фильт­ры, полоса каждого из которых рассчитана на пропускание спект­ра «своей» модулированной поднесущей. Для ослабления влия­ния других поднесущих (особенно соседних) фильтры должны иметь частотные характеристики с большим коэффициентом прямоугольности.

Анализ искажений в системах с ЧРК связан с большими математическими трудностями, поэтому обычно вводят следующие допущения и идеализацию:

1. основная доля искажений обусловлена неидеальностью характеристик группового тракта. Искажения, возникающие в отдельных канальных трактах, значительно меньше и их можно не учитывать;

2. искажения в групповом тракте можно разделить на две независимые составляющие: искажения в высокочастотной части тракта (искажения модулированного сигнала) и искажения в видеотракте (искажения многоканального сообщения);

3. основной причиной искажений сигнала в высокочастотной части тракта является неравномерность частотной и нелинейность фазовой характеристик усилителя промежуточной частоты приемника в пределах полосы частот, занимаемой спектром модулированного сигнала;

4. основной причиной искажений в видеотракте является нелинейность его модуляционной и демодуляционной характеристик, которые при анализе можно рассматривать как единую модуляционно-демодуляционную характеристику.

Временное уплотнение и разделение каналов

В бортовом передатчике шара-зонда используется временное уплотнение каналов (ВУК), рассмотрим и его. Временное уплотнение кана­лов основано на дискретизации непрерывных сообщений по вре­мени. При таком уплотнении используется набор импульсных поднесущих, не перекрывающихся во времени (Рисунок 6). Каждая поднесущая модулируется своим непрерывным сообщением в соот­ветствующем канальном модуляторе. Естественно, что частота по­вторения импульсов в этих поднесущих должна удовлетворять для всех каналов, где - период повторения кадров, - максимальная ширина полосы спектра передаваемого телеметрического сигнала.

Рисунок 5 Структурная схема бортового передатчика шара-зонда

Многоканальное сообщение образуется в результате линейно­го объединения (суммирования) модулированных импульсов поднесущих. Очевидно, что ширина спектра многока­нального сообщения однозначно определяется длительностью импульсов поднесущих и приблизительно равна величине .

Временнуе уплотнение осуществляется в синхронном режиме. Для этого в устройстве уплотнения формируется периодическая последовательность кадровых синхроимпульсов с периодом . В зависимости от вида импульсной модуляции каждому каналу в интервале отводится определенное время , которое вклю­чает интервал , занимаемый каналом с учетом модуляции и временной защитный интервал , вводимый для уменьшения взаимного влияния соседних каналов и облегчения разделения ка­налов в приемной части системы связи. Таким образом,

, (5)

где — защитный коэффициент канального промежутка.

Временное разделение каналов (ВРК). При временном разделении канальные селекторы (Рисунок 11) представляют собой устройства совпадения по времени (временные селекторы). На один вход такого устройства подается многоканальное сообщение (последовательность информационных импульсов всех каналов), а на другой — специально сформированная вспомогательная перио­дическая последовательность импульсов (стробов). Для каждого канала последовательность стробов формируется генератором вспомогательных колебаний, работа которого синхронизируется с работой генератора канальных импульсов, находящегося в передающей части системы. Для устойчивой синхронизации канал синхронизации должен обладать значительно более высокой поме­хоустойчивостью по сравнению с любым информационным каналом.

Если информационный импульс совпадает по времени со стробом, то он проходит на выход данного вре­менного селектора, если совпадения нет, то селектор оказывается закры­тым. В результате такой операции многоканальное сообщение разде­ляется на импульсные последова­тельности, соответствующие от­дельным каналам.

Рисунок 6 Многоканальное сообщение при временном уплотнении каналов

В системах с временным разделением модулируемый параметр сигнала изменяется скачкообразно в соответствии с импульсным характером многоканального сообщения. При конечной полосе про­пускания УПЧ и видеоусилителя это приводит к появлению замет­ных переходных процессов и наложению остаточных колебаний от предыдущих импульсов на последующие. В результате появ­ляются межканальные искажения, которые после общего демоду­лятора проявляются в виде наложения остаточного напряжения переходных процессов на огибающую каждого. Такое наложение приводит к некоторому сдвигу им­пульса во времени и изменению величины его амплитуды . Рассмотренные искажения обусловлены конечной полосой про­пускания общего тракта системы в области верхних частот.

Цифровая радиолиния с сигналом КИМ-ФМ

В цифровой системе передачи информации с радиосигналом КИМ-ФМ необходимо оценить точность передачи сообщения и выб­рать основные параметры радиолинии, определяющие точность. Из­вестно, что в системе непрерывно принимаются сообщения. В приемном устройстве применяется прием “в целом”.

Необходимо знать - скорость передачи информации R (двоичных единиц в секунду), энергетический потен­циал радиолинии, закон изменения несущей частоты из-за нестабильности передатчика и движения передающего и принимающего пунктов. Предполагается также, что символы в КИМ сигнале могут считаться независимыми, а априорная вероятность появления нуля и единицы одинакова.

Функциональная схема бортового передатчика шара-зонда представлена на Рисунок 5, она работает следующим образом. Сигнал с датчика поступает на временной комму­татор, где квантуется по времени, превращаясь в сигнал АИМ. Да­лее в преобразователе «напряжение — код» вырабатывается сигнал КИМ, в котором в двоичной форме закодирована амплитуда импуль­са АИМ и, следовательно, величина сообщения. Кодовое слово передается в течение времени . Сформированный видеосигнал модулирует несущую по фазе, образуя сигнал КИМ-ФМ. Далее сигнал КИМ-ФМ поступает на временной уплотнитель канала (сумматор), где вместе с остальными сигналами КИМ-ФМ суммируется.

В приемном устройстве после частотного разделения каналов, преобразования, усиления, временного разделения каналов про­исходит оптимальный прием “в целом”. Функциональные схемы оптимальных приемников приведены на Рисунок 11. Оптимальный приемник вычисляет взаимную корреляцию приня­того сигнала с каждым из возможных сигналов и выносит решение о приеме того сигнала, для которого указанная величина имеет наибольшее значение. Схема оптимального приемника содержит активных корреляторов. В этом случае имеется генератор опорных сигналов, который вырабатывает «образцы» сигналов . В состав приемника входит также устройство синхронизации, с помощью которого обеспечивается синхронизация принимаемых и опорных сигналов, а также разряд интегратора после окончания кодового слова. Опорное напряжение вырабатывает система ФАП. При оценке помехоустойчивости оптимального приемника параметры входного сигнала считаются полностью известными. Такой приемник известен под названием корреляционного (или когерентного) приемника. Опорные сигналы поступают на корреляторы одновременно с принятым сигналом . Коррелятор состоит из перемножителя сигналов и интегратора. В момент окончания принятого сигнала выходное напряжение корреляторов определяется как

, ().

В качестве показателя точности основного тракта принимается вероятность неправильной оценки слова (). В качестве внешнего воздействия на систему будем рассматривать собственный шум приемника, заданный энергетическим потенциа­лом .

Основной тракт радиолинии

Анализ основного тракта радиолинии целесообразно начать с выяснения принципиальной возможности получить приемлемые результаты в заданных условиях. Дело в том, что энергетический потенциал и скорость передачи информации, значения которые за­даны, уже определяют минимально возможную вероятность искажения символа. Если вероятность искажения символа окажется слишком боль­шой, то не имеет смысла рассчитывать реальную радиолинию, которая, разумеется, будет еще хуже.

Вероятность ошибки при оценке слова в сигнале КИМ-ФМ для оптимальной обработки при приеме “в целом” равна

, (6)

где - отношение ^сигнла/_шум, - энергия сигнала, - мощность полезного сигнала КИМ-ФМ, - длительность слова, - спектральная плот­ность шума. После расчета ошибки по формуле (6) может оказаться не­обходимым потребовать изменить исходные условия — увеличить энергетический потенциал или уменьшить скорость передачи и толь­ко после этого приступить к расчету реальной радиолинии.

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАП)

Рассмот­рим теперь условия, при которых обеспечивается нормальная работа вспомогательных трактов. Опорное напряжение вырабатывается с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАП).

Получение опорного напряжения предсавляет собой особую техническую задачу. Для этой цели невозможно использовать независимый генеродин в приемном устройстве, так как его колебания практически не будут когерентными с несущей сигнала. Причиной является уходы частоты из-за нестабильности генератора, долеровское смещение частоты из-зи движения пункта передачи или приема и т. д. Для обеспечения когерентности гетеродина в приемнике необходимо синхронизировать приходящим сигналом.

Первый способ создания когерентного опорного напряжения – способ который мы и будем реализовывать. Когда в спектре сигнала имеется компонента на несущей частоте , ее используют для синхронизации гетеродина обычно с помощью системы ФАП либо непосредственно выделяют с помощью узкополосного фильтра и после соответствующей обработки (усиления, ограничения, поворота фазы) берут в качестве опорного напряжения. Поворот фазы, который надо сделать в опорном канале, зависит от фазы компоненты на несущей частоте, т. е. при КИМ-ФМ от параметров сигнала и (где - коэффициент передачи фазовой модуляции [рад/В], - «1» в среднем занимают столько же времени, сколько «0»). Так, например, если принято и, следовательно, гармоника на несущей частоте определяется как

, (7)

фаза опорного сигнала должна совпадать с фазой несущей.

Чаще, однако, имеет место случай, когда специально делают , чтобы сохранить в спектре компоненту на несущей частоте. При этом фаза опорного напряжения должна отличаться на от фазы несущей сигнала. Нетрудно видеть, что, уменьшая индекс фазовой модуляции () для сохранения несущей, мы тем самым снижаем амплитуду полезноых компонент. Следовательно, выбор величины приходится проводить исходя из противоречивых требований. Практически можно взять, например, равной . При этом мощность на несущей составляет около четверти всей мощности сигнала.

Таким образом, часть энергии передатчика расходуется для работы канала синхронизации. Это, естественно, ухудшает условия выделения полезного сообщения по сравнению с идеальным случаем. Другая трудность, связанная с выделением компоненты на несущей частоте из сигнала ИМ-ФМ, возникает из-за того, что вблизи частоты располагаются составляющие передаваемого сообщения, которые могут попасть в опорный канал и внести помехи в работу синхронного детектора. Тогда шумовая полоса ФАП должна быть выбрана так, чтобы удовлетворялось условие

. (8)

Другой способ создания когерентного опорного напряжения основан на выделении нужного колебания из сигнала после предварительного снятия модуляции. Пусть в спектре сигнала ИМ-ФМ не содержится несущая, т. е.  и . Нужное колебание частоты можно создать в результате определенных нелинейных преобразований сигнала в опорном канале. Эти преобразования сводятся к последовательносму умножению и делению частоты входного сигнала на два.

Технически применение последовательного умножения и деления частоты оказывается неудобным. Разработан рад практически более удобных схем, позволяющих реализовать тот же принцип. Имеются и другие достаточно простые схемы. Однако всем им присущ общий недостаток: они не исключают перехода синхронного детектора в обратный режим работы. Действительно, фаза опорного напржения, полученного в результате деления частоты, всегда будет иметь неопределенность на . Практически фаза будет зависеть от начальных условий на делителе и может случайно измениться на при всякого рода внешних воздействиях, перерывах в связи и т. д. Неожиданный переход к обратному режиму является недопустимым искажением. Поэтому в сигнале приходится предусматривать специальные контрольные посылки, которые обнаруживают обратную работу. Естественно, что на создание таких контрольных посылок затрачивается часть энергии передатчика, что соответственно сказвается на выделении полезного сообщения.

И так, при рассмотре­нии основного тракта выделения сообщений предполагается, что фазовые ошибки в канале опорного напряжения достаточно малы.

Теперь рассмотрим одним из главных параметров - полосу захвата . Выбор этой величины при проектировании опреде­ляется рядом факторов, многие из которых являются противоречивыми. Так, очевидно, что для уменьшения шумовых флюктуации фазы опорного гетеродина надо уменьшить . Однако при этом увеличится постоянная ошибка слежения согласно

. (9)

Если частота несущей сигнала заранее известна с большой ошиб­кой, то приходится в систему ФАП дополнительно вводить устройст­во поиска, перестраивающее гетеродин до тех пор, пока частота сиг­нала не окажется в полосе захвата. Однако в нашем случае мы будем считать, что несущая частота нам заранее известна с малой ошибкой. Время поиска обычно ограни­чено. Поэтому скорость перестройки нельзя выбирать очень ма­лой. С другой стороны, при большой скорости и узкой полосе захва­та можно пропустить сигнал. Это обстоятельство также ограничивает возможность сужения полосы . Таким образом, возникает задача оптимального выбора полосы захвата