Проектирование командно-измерительной радиолинии
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;
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:
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<540·10-5 с.
Информация передается третьим членом в спектре сигнала. Соответствующая
мощность:
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<4,4·10-5 с.
Следовательно, тактовая частота 2Fт должна быть меньше величины 1/tИ=22,7 кГц
Выбор параметров задающего генератора и генератора ПШС
Выберем необходимое число символов в ПШС (nпс):
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 10-5 от 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.