Радиотехническая система связи

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

Кафедра “Радиотехнических систем”

РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

200700 000000 010 ПЗ

Подпись Ф.И.О.

Руководитель Белых Д.П.

Студент гр. Р-585 Кузьмин Л.О.

Номер зачетной книжки 09712410

Екатеринбург 2001

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

_{Вариант задания:}

-номер варианта задания в десятичной системе счисления,

- номер варианта задания в пятиричной системе счисления, причем и - младший и старший разряд кода номера задания соответственно.

Исходные данные:

1. Параметры преобразования сообщения:

1. среднеквадратическое (эффективное) значение сообщения X В;

2. плотность распределения ,

3. где -нормированная величина;

4. параметр распределения ;

5. спектральная плотность распределения ;

6. суммарная относительная среднеквадратическая ошибка входных

   преобразований .

2. Параметры радиолинии передачи информации с объекта:

1. вид модуляции АМн;

2. число сигналов ;

3. число каналов ;

4. число служебных канальных промежутков в кадре ;

5. надежность передачи информации ;

6. допустимая вероятность ошибки на один разряд цифрового сообщения

1/разр;

7. время передачи сообщения с.

   
   

3. Параметры радиолинии измерения координат объекта:

1. расположение: центральный пункт - наземный,

объект - шар-зонд;

2. максимальное расстояние до объекта км;

3. вероятность ложной тревоги ;

4. рабочая длина волны м;

5. измеряемые параметры R, , .

4. Константы:

1. скорость света м/с;

2. постоянная Больцмана Дж/К.

Выбрать и рассчитать:

1. Частоту дискретизации Fд и Fв, а также Fэ;

2. Шаг (интервал) квантования сообщения h;

3. Максимальное отклонение сообщения от среднего значения х_m и пик-фактор П_х;

4. Число разрядов двоичного кода n;

5. Число уровней квантования m;

6. Длительность канального сигнала Тк;

7. Длительность разрядного импульса _n;

8. Структуру информационного пакета со служебными сигналами

9. Полосу частот группового сигнала f_;

10. Параметры модуляции сигнала во второй ступени;

11. Полосу частот радиолинии f_рл;

12. Спектральную плотность шумов N₀, приведенных ко входу приемника;

13. Пороговое отношение мощности сигнала к мощности шума q_пор², обеспечивающее заданное значение допустимой вероятности ошибки Р_Д (1/бит);

14. Рабочее отношение мощности сигнала к мощности шума q²_раб, обеспечивающее заданную надежность передачи информации Р_Н;

15. Основные параметры приемной и передающей антенн: коэффициенты полезного и направленного действия, значения ширины диаграммы направленности каждой из них;

16. Пиковую и среднюю мощность излучаемого сигнала;

17. Вероятность ошибки приема (выделения) кодовой комбинации при допустимой вероятности ошибки выделения разрядного импульса Р_Д;

18. Эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на выходе системы с учетом действия шумовой помехи;

19. Параметры канала управления, способ его организации, протокол взаимодействия.

СОДЕРЖАНИЕ

КУРСОВАЯ РАБОТА 1

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 3

2. СОДЕРЖАНИЕ 5

3. ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 6

4. Расчет параметров радиотехнической системы 7

5. Расчет параметров преобразования сообщения в цифровую форму 7

6. Расчет параметров канала связи «объект - ЦП» 9

7. Расчет параметров радиолинии «ЦП - объект» 13

8. Выбор характеристик системы определения координат объекта 13

9. Описание структурной схемы центральной станции 15

10. Описание структурной схемы объекта 16

11. Выводы 17

12. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 18

13. Приложение 1. Структурная схема центральной наземной станции 19

14. Приложение 2. Структурная схема объекта 20

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АМ - амплитудная модуляция;

ВРК - временное разделение каналов;

ДН - диаграмма направленности;

ЗИ - зондирующий импульс;

ИС - импульс синхронизации;

КвАМн - квадратичная амплитудная манипуляция;

КИ - канальный интервал;

КИМ - кодовая импульсная модуляция;

КНД - коэффициент направленного действия;

ОБП - одна боковая полоса;

РЛС - радиолокационная станция;

СПИ - система передачи информации;

ТЗ - техническое задание;

УДС - угломерно-дальномерная система;

ФАР - фазированная антенная решетка;

ЦП - центральный пункт.

Расчет параметров радиотехнической системы

Расчет параметров преобразования сообщения в цифровую форму

В этой части необходимо выбрать и рассчитать параметры преобразования аналогового сообщения в цифровой первичный сигнал (двоичный код) для передачи в информационном канале системы измерения и сбора информации. Сообщение представлено в виде реализации случайного стационарного процесса, заданного плотностью распределения своих мгновенных значений W(x) и спектральной плотностью G() и подвергается преобразованию в цифровой сигнал с заданной суммарной ошибкой преобразования _.

Рис. 1. Нормированная плотность распределения мгновенных значений.

Перейдем к другой переменной (зависимости от самой величины х, а не от нормированного значения y):

Рис. 2. Нормированная плотность распределения мгновенных значений.

Математическое ожидание величины х равно [2]:

В.

Расчет рекомендуется провести, по крайней мере, для трех вариантов распределения между составляющими суммарной ошибки и выбрать параметры, обеспечивающие большую длительность ₀ [5]. Рассмотрим вариант, когда δ_д² = δ_кв²= δ_огр²= δ_²/3, то есть значения ошибок дискретизации, квантования и ограничения равны

; ; ;

; ; .

Максимальное отклонение сообщения от среднего значения выбираем при величине ошибки ограничения динамического диапазона из выражения [5]:

.

решая которое, находим числовое значение искомой величины

, .

Проверим правильность выбора . Для этого вычисляем среднеквадратическое отклонение ограниченного сообщения:

В.

Пикфактор сообщения вычисляем по формуле [5]:

Верхняя частота спектра определяется из трех условий [5]:

а) как частота соответствующая

_{Находим частоту, на которой G() принимает свое максимальное значение:}

, , рад/с.

Вычисляем значение верхней частоты из следующего уравнения:

откуда рад/с.

б) как эквивалентная полоса частот

откуда . рад/с.

в) как частота при выбранной ошибке дискретизации.

Частоту находим из выражения [3]:

,

преобразовав которое, получаем , рад/с,

откуда , рад/с.

Выбираем , рад/с.

Вычисляем шаг квантования исходя из заданной ошибки квантования

, В.

Число уровней квантования находим по формуле:

, .

Число разрядов двоичного кода сообщения

, .

Найдем длительность разрядного импульса многоканального сигнала:

период дискретизации равен , с;

длительность канального сигнала , с;

тогда , с.

Проводя аналогичные вычисления еще для трех вариантов распределения ошибок, заполним сводную таблицу:

Таблица 1

В таблице ошибки заданы процентах (%) от суммарной ошибки. Как видно, наибольшая длительность разрядного импульса ₀ обеспечивается в последнем (третьем случае).

Вероятность попадания сообщения в i-й интервал , .

Вычислим значение энтропии сообщения [3]:

, - значение энтропии;

, - максимальное значение энтропии.

Расчет параметров канала связи «объект - ЦП»

1. Определение параметров системы с ВРК и АМн.

Ранее были определены следующие временные параметры:

• период дискретизации с;

• длительность канального сигнала с;

• длительность разрядного импульса с.

При расчете подразумевалось, что вся информация (вместе с признаками синхронизации) передается со скоростью преобразования сообщения в цифровую форму (с частотой дискретизации). Длительность временного интервала, отводимого на передачу одного разряда, вычислялась исходя из того, что за один КИ передается 7 информационных разрядов.

На рисунке ниже приведена структура информационной посылки.

Рис. 3. Временная диаграмма информационной посылки.

Можно определить скорость передачи канальной информации:

, Бод.

Так как импульсы синхронизации (ИС) не несут информации, то скорость передачи полезной информации равна:

, Бод.

Для однократного сеанса связи достаточно 8-ми разрядного ОЗУ. Его емкость находим по формуле:

, Кбайт.

При формировании канальных сигналов необходимо учесть, что для уменьшения межсимвольных (при последовательной передаче разрядов) искажений длительности разрядных импульсов должны быть меньше : [5]. Выберем:

Полоса группового сигнала определяется из следующего выражения [5]:

Гц.

Где _к=1 коэффициент, определяемый видом манипуляции сигнала в канале (КИМ-АМн).

Для передачи информации используем перенос на несущую частоту с помощью ОБП (т.е. во второй ступени используется амплитудная модуляция), тогда требуемая полоса радиолинии составит:

Гц.

где - параметр, зависящий от вторичной ступени модуляции.

2. Расчет энергетических характеристик

К энергетическим характеристикам относятся: мощность сигнала на входе приемника, мощность излучаемого сигнала, а также мощность шума, приведенная ко входу приемника.

Пороговое отношение мощности сигнала к мощности шума, обеспечивающее заданную вероятность ошибки на разряд , находим из выражения (для АМ) [4, 5]:

Откуда , .

Рабочее отношение мощности сигнала к мощности шума, обеспечивающее заданную надежность , находим из выражения:

Откуда , .

Считаем, что полоса пропускания линейной части приемника на 10% превышает полосу частот радиолинии:

Гц.

Эффективную шумовую температуру приемника находим для частоты 6 ГГц (считаем, что приемник выполнен на полупроводниках): К.

Спектральная плотность шумов равна [5]:

, Вт/Гц.

Мощность шумов, приведенная к входу приемника

, Вт/Ом.

Считаем, что сопротивление антенны приемника равно 75 Ом, тогда мощность на входе будет равна , Вт.

Умножая полученное значение мощности шума на значения порогового и рабочего отношений сигнал /шум, можно получить соответственно пороговую и рабочую мощности сигнала на входе приемника [5]:

, Вт;

, Вт.

Задаваясь характеристиками антенн и коэффициентом потерь энергии при заданном максимальном расстоянии до объекта, найдем рабочее значение мощности передатчика при использовании рабочей мощности сигнала на входе приемника. Будем считать, что на объекте установлена ненаправленная антенна с КНД . Имеем радиолинию с активным ответом, которая состоит из линии запроса и линии ответа.

КНД антенны, установленной на ЦП выберем, исходя из заданного разрешения, которое составляет 1% от максимально измеряемого угла. Размеры диаграммы направленности антенны равны (в градусах):

Выбрав распределение в виде косинус на пьедестале, рассчитаем размеры апертуры антенны:

м; м.

Тогда КНД вычисляется по формуле:

Коэффициент затухания, обусловленный потерями в атмосфере для м и для интенсивности осадков Q=10 мм/ч составляет: дБ/км [1].

Тогда можно найти относительное уменьшение дальности действия РЛС из-за затухания радиоволн в атмосфере: , раз [4].

Истинная дальность действия РЛС будет равна , км.

Коэффициент потерь энергии сигнала при распространении радиоволн и в антенно-фидерных трактах приемника и передатчика: .

Тогда значение рабочей мощности передатчика на объекте равно [5]:

, Вт.

Расчет относительной среднеквадратической ошибки воспроизведения сообщения, вызванной действием шумовой помехи, можно выполнить по формуле [5]:

, .

Тогда эффективное значение результирующей относительной ошибки сообщения на выходе системы с учетом действия шумовой помехи равно:

3. Организация синхронизации

Вероятность ошибки приема (выделения) кодовой комбинации из 8 разрядов при допустимой вероятности ошибки выделения разрядного импульса (ошибки приема разрядов независимы) находим из выражения [3, 5]:

,

В системе организована канальная синхронизация. То есть, в начале каждого цикла передачи информации (первый канальный интервал) передается 2 одинаковых ИС. Кадровое синхрослово по своей структуре должно существенно отличаться от всех возможных кодовых комбинаций, поэтому необходимыми требованиями к синхросигналу являются: энергия больше энергии, передаваемой в информационном канале, а так же чтобы его форма не повторяла форму сигнала [3].

Для выделения ИС в приемнике используется дискретный согласованный фильтр, настроенный на ИС. В него поочередно записываются принимаемые кодовые слова, а в момент превышения выходным напряжением порога выделяется импульс кадровой синхронизации. В начале каждого цикла обмена на приемной стороне запускается тактовый генератор и производится синхронизация. Используя повторяемость ИС, можно, накапливая их, увеличить помехоустойчивость устройства синхронизации [3]. Если по прошествии двух периодов дискретизации не приходит синхропризнак, то система переводится в режим пониженного энергопотребления до появления следующего ИС или окончания связи. Это обеспечивает, в целом, малое потребление системы.

Вероятность ошибки синхронизации при такой организации можно определить так:

Как видно, эта вероятность ошибки намного меньше, чем вероятность ошибки Р_Д, приходящейся на один информационный разряд.

Расчет параметров радиолинии «ЦП - объект»

Считаем, что после сеанса связи (если на данном направлении нет больше объектов) система переходит в режим поиска. ЦП излучает гармонический сигнал длительностью Т_К, после чего переходит в режим приема и ожидает ответ от объектов. Если ответ получен, то ЦП переходит в режим определения координат объекта.

Энергетические соотношения в этом случае определяются вероятностью ложной тревоги F и надежностью связи Р_Н при обнаружении сигнала со случайной амплитудой и фазой.

Зависимость вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум определяется формулой [4]:

Принимая вероятность правильного обнаружения равной надежности, находим порог обнаружения:

,

Рис. 4. График зависимости вероятности правильного обнаружения от отношения сигнал/шум.

Тогда мощность принимаемого сигнала, которая будет обеспечивать выбранное отношение сигнал/шум, равна

, Вт.

Мощность передатчика наземной станции составляет [5]:

, Вт.

Выбор характеристик системы определения координат объекта

Радиоизмерительная система ЦП осуществляет поиск объектов, их опознавание по ответному сигналу, измерение заданных параметров взаимного расположения ЦП и объекта, прием и хранение информации. Точность измерения и разрешения координат объекта не хуже 1% от максимальной величины измеряемого параметра (угла или дальности), причем угловое или дальномерное разрешение измерителя в зоне поиска позволяет проводить сеанс связи только с одним из объектов. Общее число объектов в