Проектирование командно-измерительной радиолинии системы управления
летательным аппаратом Техническое задание
Спроектировать командно-измерительную линию, взяв в качестве основы
функциональную схему, изображенную на рис. 1 при следующих
исходных данных: Время сеанса связи не более 10 минут.
За сеанс требуется передать по информационному каналу не менее 105
символов при вероятности ошибки на символ не больше 10-3. В сеансе
требуется измерить дальность с ошибкой не более 20 м при
точности прогноза 50 км.
Энергетический потенциал (отношение мощности сигнала к спектральной
плотности шума) на входе приемника — 104 Гц. Несущая
частота радиолинии — 103 МГц. Занимаемый радиолинией
диапазон частот не более 0, 5 МГц.
Априорная неизвестность частот в сигнале до 10-5 от номинала.
Дополнительные условия
Точность и достоверность измерений и передачи информации
определяются в основном шумом.
Шумовые ошибки в запросной и ответной линии дальномера можно
считать одинаковыми.
Дальномер должен выдавать независимые отсчеты дальности с
интервалом в 1 секунду.
В результате расчета должны быть выбраны следующие основные
параметры подсистем передающего и приемного трактов: частота
задающего генератора в передающем тракте; скорость передачи
информационных символов; параметры фазового модулятора передатчика;
число каскадов в генераторах ПС-кода; параметры системы ФАПЧ в
приемнике; полоса пропускания ВЧ-преобразователя в приемнике;
полосы пропускания полосового ограничителя и ФНЧ в аппаратуре
разделения каналов;
параметры системы тактовой синхронизации в аппаратуре
декодирования. Спектры используемых сигналов Рис. 1. Спектр
ПШС Рис. 2. Спектр сигнала тактовой синхронизации Рис.
3. Правая половина спектра сигнала в радиолинии Рис. 4.
Спектр сигнала на несущей Выбор параметров системы Шумовая полоса
ФАПЧ
Положим, что на режим захвата можно выделить 10% времени сеанса
(1 мин. ). Диапазон неизвестности частоты задан, как 10-5 от
номинала 1 ГГц, т. е. поиск надо вести в полосе . Для
надежности этот диапазон надо пройти 5-6 раз, поэтому один проход
будет совершаться за время Тп=10 с. Отсюда получим требуемую
скорость перестройки частоты: . Для надежного захвата сигнала при
такой скорости требуется ФАПЧ с достаточно малой инерционностью
(широкой шумовой полосой). Шумовая полоса будет определяться по
формуле: Необходимая мощность гармоники на несущей частоте из
условия нормальной работы ФАПЧ в режиме слежения Дисперсия шумовой
ошибки определяется по формуле:
где: GШ — спектральная плотность шума на входе ФАПЧ (Вт/Гц),
РСН — мощность гармоники на несущей частоте. Положим , тогда
необходимо иметь:
В техническом задании указан полный энергетический потенциал
радиолинии — 104 Гц. Следовательно, на гармонику с
несущей частотой следует выделить от полной мощности сигнала.
Мощность гармоники на несущей: . Учитывая, что полная мощность
сигнала КИМ-ФМн-ФМ будет , имеем . Оценка необходимой мощности
сигнала в информационном канале На режим приема в сеансе остается 9
минут. За это время надо передать 105 символов. Значит длительность
одного символа ТПС
где hи —часть мощности, затрачиваемая на передачу информации.
Вероятность ошибки не должна превышать 10-3, поэтому (из интеграла
вероятности): РСИ/GШИ>890 Гц. Выбор девиации фазы в фазовом
модуляторе передатчика Из предыдущих расчетов имеем:
Решив эти трансцендентные уравнения, получим: mC=1, 085 рад. ,
mИ=1 рад. Распределение мощности между компонентами
сигнала
Выше было найдено, что на несущую приходится 0, 13, а на
информацию —0, 089 полной мощности сигнала. Мощность сигнала
синхронизации будет определяться по формуле:
Выбор тактовой частоты, обеспечивающей заданную точность измерения
дальности Дальность измеряется по сигналу символьной синхронизации,
имеющему остроугольную сигнальную функцию. Максимальная ошибка по
дальности будет определяться по формуле:
где с — скорость распространения радиоволн; k2=10 —
коэффициент запаса; b=3/tИ – крутизна наклона главного пика
сигнальной функции; Q0=РссТизм — энергия сигнала (время
измерения —1 с). Общая ошибка по дальности (20 м)
поровну распределена между запросной и ответной радиолинией,
следовательно, DRmax=10 м. Зная это, найдем, что tИ Выберем
необходимое число символов в ПШС (nпс):
Ближайшее целое число, удовлетворяющее этому условию —127.
Пересчитанное значение длительности импульса составит 42,
5 мкс и тактовая частота 2Fт=23, 53 кГц.
Проверка надежности работы ФАПЧ в режиме захвата и выделения
несущей Проверим, не будут ли мешать гармоники сигнала, лежащие
рядом с несущей частотой. Полоса ФАПЧ выбрана шириной 80 Гц и
в процессе поиска просматривается диапазон±10 кГц около
несущей.
Полоса частот, связанная с модуляцией несущей сигналом КИМ-ФМн,
отстоит на частоту 4Fт=±47, 06 кГц и в полосу поиска не
попадает.
В режиме слежения за несущей сигнал выделяется полосой ФАПЧ
±40 кГц. Ближайшая гармоника синхросигнала отстоит на частоту
1/Тпс=185 Гц и в полосу ФАП не попадает. Проверим, не может ли
произойти ложный захват ФАПЧ гармоникой, связанной с модуляцией
несущей синхросигналом. Они находятся в полосе ФАПЧ и могут
селектироваться только по амплитуде. Амплитуда Аmax наибольшей из
гармоник синхросигнала, попадающей в полосу поиска:
где Аm —амплитуда максимальной гармоники в синхросигнале.
Полезная гармоника имеет амплитуду 0, 362UН, т. е. почти в
100 раз больше по мощности, что обеспечивает легкую селекцию.
Определение необходимых полос пропускания фильтров в приемном
тракте Полосовой ограничитель должен пропускать сигнал КИМ-ФМн. В
спектре сигнала UД(t) после синхронного детектора сигнал расположен
вблизи частоты 47, 06 кГц и занимает полосу примерно
(4… 5)/ТПС=1 кГц. При нестабильности частоты 10-5от
номинала частотный сдвиг не превысит 500 Гц. Следовательно,
полосовой ограничитель должен быть настроен на частоту 47,
06 кГц и иметь полосу пропускания около 1 кГц.
ФНЧ канала синхронизации выделяет синхросигнал. Считая, что полоса
занимаемых частот соответствует примерно 12FТ, находим необходимую
полосу фильтра в 142 кГц. Высокочастотный преобразователь
приемного тракта должен пропустить достаточное число полезных
компонент сигнала, т. е. иметь полосу не менее±12FТ, к этому надо
добавить нестабильность несущей (±10 кГц). Следовательно,
полоса должна быть порядка 2(142+±10) кГц= =300 кГц. Эта
же величина определяет занимаемый радиолинией диапазон частот.
Проверка выполнения требований ТЗ по необходимой точности прогноза
дальности Рис. 5. Сигнальная функция синхросигнал
В задании указана точность прогноза дальности 50 км. Это
обеспечивает прогноз по задержке±0, 333·10-3 с. Поскольку
Тпс=5, 4·10-3 с, а tи=4, 25·10-5 с, в диапазон
исследуемых задержек может попасть только один большой пик
сигнальной функции и большое число малых пиков высотой 1/nпс.
Надежные измерения обеспечиваются только при условии: Зная, что в
данном случае
видим, что это условие выполняется с большим запасом. Таким
образом, заданная точность прогноза при выбранных параметрах
сигнала надежно обеспечивает однозначное определение дальности.