Методологические основы анализа и

Синтеза каналов радиоуправления

Система каналов радиоуправления представляет собой организационно-техническое объединение радиотехнических комплексов и средств различных диапазонов волн, взаимодополняющих друг друга и образующих сеть информационного взаимодействия в любых условиях обстановки, размещённых на рассредоточенных в пространстве пунктах управления и ретрансляторах, логически увязанных единой задачей надёжной доставки информации до управляемых объектов за строго ограниченное время. Систему каналов радиоуправления можно представить в виде, изображённом на рис.1.

Рис.1.

Радиотехнические комплексы находятся на втором иерархическом уровне системы каналов радиоуправления, являются основными звеньями её внешнего контура и непосредственно реализуют целевые задачи информационного взаимодействия объектов.

Они классифицируются по назначению или охвату территории информационного взаимодействия (глобальные, промежуточные, локальные); по виду базирования (космические, морские, наземные – стационарные, мобильные); по функциональному назначению (приёмные, передающие, приёмопередающие).

Радиотехнические средства (приёмники, источники генерирования сигналов, передающие устройства, антенно-фидерные и согласующие устройства, вводно-защитные устройства от ЭМИ), составляющие основу радиотехнических комплексов занимают следующий иерархический уровень (третий).

И, наконец, на самом низком уровне находятся функциональные элементы, узлы, блоки. (УВЧ, УПЧ, синтезаторы частоты, преобразователи и т.д.).

Сегодня правомерно в отдельный иерархический уровень выделять элементную базу (в т.ч. БИС, ПЛИС, процессоры, АЦП, ЦАП), т.к. многие элементы представляют собой систему на кристалле.

Все комплексы имеют взаимные связи и через ретрансляторы, взаимно дополняя друг друга, образуют сеть каналов радиоуправления, которая может быть представлена в виде рис.2.

На этом рисунке обозначено:

– количество ветвей, (сред);

– количество источников в каждой ветви;

Каждая ветвь представляет собой некоторое количество источников передачи информации определённой среды (космическая, проводная, радиорелейная, ВОЛС и т.д.). В этой сети:

– вероятность доведения информации от -го источника в -той ветви.

– вероятность недоведения информации от -го источника в -той ветви.

– вероятность недоведения информации (ни от одного источника) в -той ветви.

– вероятность доведения информации в -той ветви.

– вероятность недоведения информации ни по одной ветви .

– вероятность доведения информации хотя бы от одного источника какой-либо ветви системы в целом.

Каждый радиотехнический комплекс представляет собой сложную подсистему, состоящую из множества технических средств, устройств и функциональных элементов и характеризуемую ещё большим множеством параметров. К ним относятся рабочая длина волны , занимаемая в «эфире» полоса частот , максимальная дальность доведения информации , излучаемая мощность , помехозащищённость приёмной аппаратуры, полоса пропускания передающей и приёмной антенн, коэффициент полезного действия передающего комплекса, время поиска сигнала, время непрерывной работы, стабильность выходных частот, количество ретрансляций для обслуживания заданной территории, вероятность правильного доведения информации, за время не превышающее заданное, время приведения комплекса к радиоизлучению и другие.

Проектирование системы (комплекса) представляет сложный творческий процесс и состоит из двух этапов. На первом этапе проводится обоснование исходных данных (ТТТ, ТТЗ) для проектирования в виде следующих подгрупп:

1. Совокупность условий ,

2. Совокупность ограничений на структуру и параметры проектируемой системы ;

3. Совокупность показателей качества системы (вектор)

;

4. Совокупность ограничений, накладываемых на показатели качества

.

Выбор состава вектора является одной из ответственных задач проектирования, что объясняется невозможностью полно и достаточно охарактеризовать каким-то одним числом или даже совокупностью конечного набора чисел любого требования, предъявляемого к системе. Модель функционирования также является достаточно приближённой и в некоторой степени идеализированной.

На втором этапе ведётся проектирование системы для сформулированных исходных данных. Из всех систем, удовлетворяющих совокупности исходных данных , оптимальной считается такая система , которая обладает наилучшим значением критерия качества. Отыскание оптимальной системы (синтез системы) производится путём сочетания математических и эвристических методов на основе инженерного опыта, приближённых расчётов, инженерной интуиции и творческих способностей разработчиков.

Синтез системы (комплекса) включает в себя решение следующих основных задач:

1. Отыскание оптимальных принципов построения системы (видов передатчика и приемника и характера их взаимодействия, формы сигнала, способов модуляции и обработки);

2. Оптимизация параметров системы (длина волны, чувствительность и помехоустойчивость ПРМ, излучаемая мощность передающего комплекса, размер антенны), дальность доведения информации за заданное время;

3. Выбор оптимального варианта построения системы (комплекса) из конечного числа вполне определённых вариантов , ,..., .

Таким образом, инженерный синтез систем (комплексов) представляет собой сочетание всех видов и методов синтеза с учётом всех существенных показателей качества (глобальный синтез), синтеза с учётом отдельных существенных показателей качества (частный синтез), математического и эвристического синтеза структуры, оптимизации параметров и дискретного выбора системы. Математический синтез, как правило, применяется при оптимизации функциональных элементов и блоков по одному отдельному параметру. Например, синтез оптимального приёмника по критерию наибольшего отношения сигнал/шум, синтез передатчика по критерию стоимости, синтез согласующего устройства по критерию к.п.д. Математический синтез системы по совокупности показателей качества чаще всего бывает весьма далёким от действительности из-за сложности математического описания условий работы системы, поэтому всякая сложная система разбивается на части и оптимизация проводится для каждой из них по критерию предпочтения. В каждом конкретном случае проектирования существует некоторое наиболее целесообразное число частей, на которое следует разбить систему, чтобы получить решение для системы в целом, наиболее близкое к оптимальному.

Систему каналов радиоуправления целесообразно расчленить по следующим признакам:

1. по назначению: глобальные, промежуточные, локальные;

2. по диапазону рабочих частот (): КНЧ, СДВ, ДВ-СВ, КВ, УКВ, ДЦВ; смВ, ммВ, лазерные линии;

3. по выполняемым функциям: приёмный комплекс, передающий комплекс, приёмо-передающий комплекс;

4. по виду базирования:

стационарный защищённый комплекс,

стационарный незащищённый комплекс,

мобильный грунтовой комплекс,

воздушный комплекс,

космический комплекс,

морской надводный комплекс,

морской подводный комплекс.

Частотный диапазон для беспроводной связи

	Диапазон частот	Области использования	Частота
м	УФ лучи	экспериментирование	Гц
м	ИК лучи	сети доступа «точка-точка»	Гц
0, 3 см	миллиметровые волны (КВЧ)	экспериментирование микроволны ретрансляторов	100 ГГц
3 см   30 см	СВЧ	Земля – ИСЗ Земля – Земля Радиолокация Мобильная связь Радиорелейная и тропосферная связь	10 ГГЦ   1-8 ГГЦ
1м	УВЧ	Телевидение и мобильная связь РРЛ линии связи Военная связь.	300 МГц
3 м	ОВЧ	Мобильная связь Телевидение. ЧМ-вещание, Военная связь	100 МГц
300 м	ВЧ	Военная радиосвязь Инженерная радиосвязь Гражданский диапазон Радиомобильность	1 МГц
1 км	СЧ	Радиотелеграфия	300 КГц
3 км	НЧ	Навигация	100 КГц
30 км	ОНЧ	Радиоуправление	10 кГц

Приёмный комплекс для каждого диапазона рабочих частот в свою очередь можно разбить на следующие функциональные блоки и устройства:

а) блок преселектора и преобразования частоты;

б) обеляющий фильтр (блок подавления узкополосных помех);

в) согласованный фильтр или блок корреляторов;

г) система поиска и слежения за задержкой и фазой сигнала (ССЗ и ФАПЧ);

д) блок декодирования и первая решающая схема;

е) вторая решающая схема (логическое устройство);

ж) устройство защиты входных каскадов приемника от перегрузок (ЭМИ);

з) блок управления режимами работы;

и) блок питания;

к) антенна;

л) согласующее устройство приёмника с антенной.

Передающий комплекс разбивается на следующие составные части:

а) агрегат передающего устройства;

б) первичный источник электроснабжения;

в) агрегат передающих антенн и СУ;

г) агрегат ЗиП и инструмента.

Передатчик как элемент передающего комплекса разбивается на:

а) возбудитель (генератор, модулятор);

б) усилитель мощности;

в) блок вторичных напряжений;

г) фильтр гармоник;

д) эквивалент нагрузки;

е) согласующее устройство с антенной;

ж) устройство защиты выходных каскадов передатчика от ЭМИ;

з) блок управления.

В ряде случаев существующие связи внутри системы таковы, что выбор мест, в которых их целесообразно разорвать, далеко не очевиден и требует специального обоснования. При этом основным фактором, учитываемым при делении комплекса на части, является возможность однозначной и чёткой формулировки исходных данных для каждой части комплекса (системы), исходя из задачи оптимизации комплекса в целом.

Решающим фактором при этом является возможность установления однозначной связи между совокупностью показателей качества системы в целом и показателей качества -той части этой системы (; где - число частей).

Для разных комплексов показатели качества аппаратуры каналов радиоуправления с точки зрения надёжности доведения информации различны, но есть и такие, которые являются общими для всех. Это помехоустойчивость приёмной аппаратуры (max), к.п.д. передатчика(max), время поиска сигнала и синхронизации (min), надёжность (max), габариты и вес (min), стоимость (min). Общей является также проблема сведения задачи многопараметрического синтеза к синтезу по одному или ограниченному количеству параметров. Иными словами, для каждого из комплексов оптимизация проводится по критерию предпочтения при определённых ограничениях на остальные показатели качества.

Так, для подвижных приёмопередающих комплексов основными требованиями являются высокая маневренность, минимальное время приведения в рабочее состояние, максимальная дальность доведения информации при ограниченной мощности энергоснабжения. Это в свою очередь накладывает ограничение на массогабаритные характеристики передатчика, АФУ и на количество подвижных средств, которое обеспечивает его мобильность.

Для стационарных комплексов – это высокая эффективность антенны при ограниченной площади их размещения и т.д.

Часто требования являются противоречивыми. Так, помехоустойчивость приёмника и время синхронизации, помехозащищённость канала и скорость передачи информации, мобильность комплекса и время его автономного функционирования, цена технических средств и их надёжность и многое другое находятся в явном противоречии.

Поэтому в каждом конкретном случае решение оптимизационной задачи сводится к оптимизации составных частей, либо улучшение параметров какой-либо составной части обеспечивается за счёт ухудшения параметров другой части при улучшении основных параметров комплекса.

Зная всё это можно приступить к методологической схеме исследования.

Тема 3