Задание

Выполнить системное проектирование командной радиолинии (КРЛ) «Земля - ИСЗ» на основе исходных данных об ожидаемых сеансах связи.

Выбрать параметры радиосигнала, способ кодирования, структуру и параметры передающих и приемных трактов радиолинии, обеспечивающих выполнение заданных технических условий. Задать требования на проектирование подсистемы символьной синхронизации и подсистемы захвата и выделения несущей частоты.

Подтвердить принятые решения имитационным моделированием.

Сравнить спроектированную радиолинию с радиолинией оптимальной для заданного сигнала.

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 последовательно передаются команды, либо ведется прием телеметрических данных

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 1. Функциональная схема радиолинии КИМ-ФМ

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 рассматриваемой радиолинии представ­лена как Рисунок 1. Сообщение  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

В приемном устройстве после преобразования и усиления про­исходит синхронное детектирование (перемножение). Опорное напряжение для синхронного детектора вырабатывает система ФАП. Продетектированный видеосигнал интегрируется.

После интегратора сигнал поступает по основному тракту на решаю­щее устройство. Здесь в определенные моменты времени (0 или 1). Для этого напряжение сигнала  сравнивается с порогом  и принимается решение о наличии символа «1», если  и о наличии «0», если [1]. Моменты  определя­ются в тракте символьной синхронизации. Оценки символов из реша­ющего устройства поступают на регистрацию и далее на систему вто­ричной обработки информации, где производится коррекция иска­женных слов, выделение сообщения и оценка его параметров.

В качестве показателя точности основного тракта принимается вероятность неправильной оценки символа ( могут быть получены и другие меры точности, как, например, вероятность ошибки в кодовом слове или среднеквадратическая ошибка восстановленного сообщения.

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 сигнала окажется слишком боль­шой, то не имеет смысла рассчитывать реальную радиолинию, которая, разумеется, будет еще хуже.

Вероятность ошибки при оценке символа в сигнале КИМ-ФМ для оптимальной обработки равна

                                     (1)

 - мощность сигнала КИМ-ФМ,  - длительность одного символа,  - спектральная плот­ность шума. После расчета ошибки по формуле (1) может оказаться не­обходимым потребовать изменить исходные условия — увеличить энергетический потенциал или уменьшить скорость передачи и толь­ко после этого приступить к расчету реальной радиолинии.

Рассмотрим прохождение сигнала через основной тракт приемного устройства (Рисунок 1), полагая, что вспомогательные системы (ФАП и тракт синхронизации) работают идеально. В этом случае сигнал детектируется в синхронном детекторе независимо от шума.

После прохождения интегратора сигнал ис­кажается, как показано на Рисунок 2 (штриховой линией). На этом рисунке отмечены также моменты которые взяты в середине каждого разряда.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 2. Сигнал на выходе линии КИМ-ФМ

Оптимальная система предполагает наличие интегратора со сбросом, который интегрирует напряжение с выхода синхронного детектора в течение времени, отведенного на передачу символа. Моменты, в которые производится оценка символа, следует при этом брать в конце каждого разряда. Однако это воз­можно только в том случае, когда в системе имеется точная посим­вольная синхронизация (именно точную посимвольную синхронизацию мы и будем использовать). Иначе ошибки синхронизации приведут к тому, что почти в половине случаев оценка будет происходить не в конце данного разряда, а в начале следующего, что, в свою очередь, приведет к возрастанию вероятности ошибок в оценке символа. Чем ближе к середине будут взяты моменты тем меньше требования к точности посимвольной синхронизации.

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАП)

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

Получение опорного напряжения предсавляет собой особую техническую задачу. Для этой цели невозможно использовать независимый гетеродин 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  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

                                                 (2)

фаза опорного сигнала должна совпадать с фазой несущей.

Чаще, однако, имеет место случай, когда специально делают  от фазы несущей сигнала. Нетрудно видеть, что, уменьшая индекс фазовой модуляции ( приходится проводить исходя из противоречивых требований. Практически можно взять, например,  равной

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

                                                            (3)

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  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  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 один из главных параметров - полосу захвата

                                                        (4)

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

Система посимвольной синхронизации

Посимвольная синхронизация используется при посимвольном приеме кодовых слов и обеспечивает разделение элементарных сигналов, соответствующих различным позициям кодового слова. Требования к точности посимвольной синхронизации зависят от используемого способа обработки элементарных информационных сигналов в приемнике. При обработке, близкой к оптимальной, а она в нашем случае именно такая, необходимо достаточно точное определение границ этих сигналов. Требования к точности синхронизации возрастают с уменьшением длительности элементарных сигналов.

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 3. Функциональная схема инерционной системы посимвольной синхронизации

Для выделения сигналов посимвольной синхронизации непосредственно используется последовательность принимаемых  информационных символов. На Рисунок 3 показана функциональная схема инерционной системы посимвольной синхронизации. В результате дифференцирования сигнала

Анализ таких систем имеет целью определить флюктуации моментов временных меток относительно положения, соответствующих идеальной ра­боте. В качестве показателя точности можно взять среднеквадратическую ошибку, которая для нормальной работы должна быть много меньше длительности одного символа.