Радиотехнические системы и структурные схемы РТС

Радиотехническими системами (РТС) или радиосистемами называются системы, в которых переносчиком или носителем полезной информации являются радиоволны. Различаются несколько типов РТС. Основными являются РТС связного типа и РТС измерительного типа, причем РТС ИИ делятся на активные и пассивные.

В РТС связного типа полезная информация, имеющаяся в одном пункте, именуемом передающим, накладывается на радиоволны и передается в другой пункт, именуемый приемным. К РТС связного типа относятся системы радиотелеметрии, радиосвязи и радиовещания, телевидения, радиотелеграфии и др.

Радиотелеметрия - передача по радио результатов измерений параметров различных физических систем. Обычно радиотелеметрия применяется для передачи данных измерений с движущихся или труднодоступных объектов. Например, на летательных аппаратах устанавливаются устройства для контроля режима работы бортовой аппаратуры, для научных исследований окружающего пространства и др. Результаты измерений посредством радио передаются на Землю в пункты, где они регистрируются и обрабатываются.

Радиосвязь и радиовещание - передача по радио речи и музыки.

Телевидение - передача по радио изображений.

Радиотелеграфия - передача по радио буквенных текстов.

В активных РТС измерительного типа полезная информация накладывается на излучаемые РТС радиоволны в процессе их распространения и взаимодействия с окружающей средой и с находящимися в ней объектами. В приемном пункте полезная информация извлекается из радиоволн посредством измерения соответствующих параметров электромагнитного поля. К активным РТС измерительного типа относятся системы: радиолокации, радионавигации, измерения параметров окружающей среды (Земли, ионосферы, тропосферы). Радиолокация - обнаружение и классификация целей (самолетов), определение их координат и параметров движения с помощью радиосредств. Радионавигация - определение местоположения подвижных объектов и обеспечение их движения по заданным траекториям с помощью радиосредств. Пассивные (неизлучающие) РТС измерительного типа предназначены для измерения параметров собственного излучения окружающей среды. К РТС этого типа относятся системы: радиоастрономии (изучение в научных целях собственного излучения небесных тел), радиоразведки (обнаружение и измерение параметров радиотехнических средств противника), исследования природных ресурсов (посредством изучения собственного излучения Земли). Активные и пассивные РТС, предназначенные для измерения параметров отраженного и собственного излучения Земли и атмосферы, называют РТС дистанционного зондирования.

Несмотря на различие и многообразие перечисленных и не упомянутых РТС, всем им присущи общие закономерности, изучение которых представляет основное содержание учебника. Детальное изучение конкретных РТС, теоретической базой которых является статистическая теория, не входит в нашу задачу. Вместе с тем некоторые сведения о различных типах РТС, необходимые для понимания материала, будут приводиться по мере надобности при изложении. Для того чтобы охарактеризовать структуру, цели и задачи пособия, а также ввести некоторые исходные определения, рассмотрим в общих чертах структурные схемы основных типов РТС.

На рис.1.1 показана структурная схема РТС передачи информации.

Рис.1.1. Структурная схема РТС передачи информации

Она состоит из следующих элементов.

1. Источник сообщений (информации) - устройство, формирующее сообщения: речь, музыку, изображения, телеметрическую информацию (например, закон изменения давления в кабине летательного аппарата) и т.д. Обычно первичные сообщения представляют собой функции времени неэлектрической природы. Для передачи по каналу связи первичные сообщения преобразуются в электрический сигнал, т.е. в колебания электрического тока (или напряжения), изменения которого во времени воспроизводят передаваемое сообщение. Примерами такого преобразования является работа микрофона и телевизионной передающей трубки. В дальнейшем передаваемый электрический сигнал будем называть сообщением, и обозначать .

2. Радиопередающее устройство (РПУ) в общем случае выполняет следующие функции. Дискретизация - преобразование непрерывного сообщения – функции в дискретную последовательность элементарных сообщений – чисел . Кодирование элементарных сообщений. При этом сообщение преобразуется в комбинацию сравнительно простых символов , обычно двоичных . Кодирование преследует цель увеличить количество информации, передаваемой в единицу времени и повысить достоверность передачи сообщений. Генерирование высокочастотного колебания - переносчика информации. Модуляция - формирование радиосигнала (высокочастотного сигнала) посредством наложения сообщения или элементарного сообщения на переносчик информации. Таким образом, на выходе радиопередатчика формируется радиосигнал, являющийся некоторой функцией времени и передаваемого сообщения или . При первичном изучении материала будем ориентироваться на передачу элементарных сообщений и соответственно радиосигналов , содержащих эти сообщения. В аналоговых РТС дискретизация и кодирование отсутствуют. Функциями РПУ остаются генерирование высокочастотных колебаний и модуляция.

3. Линия связи - это физическая среда, в которой распространяется радиосигнал. Колебание на выходе линии связи , которое будем называть принимаемым колебанием или наблюдением, существенно отличается от излученного радиосигнала . Во-первых, в процессе распространения радиосигнал ослабляется и приобретает фазовый сдвиг. При этом модель радиосигнала принимает вид , где - параметр интенсивности, а - фазовый сдвиг или начальная фаза. Дополнительные параметры и имеют вероятностную природу и могут изменяться во времени - быть функциями и . Во-вторых, в линии связи к сигналу добавляются помехи различного происхождения: промышленные, атмосферные, космические, от посторонних РТС, внутренние шумы радиоаппаратуры и др. Помехи пересчитываются к выходу линии связи и в дальнейшем обозначаются символом . В результате принимаемое колебание имеет вид: . Помехи , суммируемые с сигналом называют аддитивными в отличие от другого вида помех -мультипликативных, которые возникают в некоторых линиях связи и проявляются в виде произведения помехи, положим , на сигнал:

.

4. Радиоприемное устройство (РПрУ). Назначение РПрУ - с максимально возможной точностью по принятому колебанию воспроизвести на своем выходе переданное сообщение или . Принятое (воспроизведенное) сообщение из-за наличия помех в общем случае отличается от посланного. Принятое сообщение будем называть оценкой (имеется в виду оценкой сообщения) и обозначать тем же символом, что и посланное сообщение, но со знаком : или .

5. Потребитель - это человек, ЭВМ, какое либо исполнительное или другое устройство, которому предназначены передаваемые сообщения.

Совокупность РПУ, линии связи и РПрУ, ограниченная на рис.1.1 штриховыми линиями, называется каналом связи.

На рис.1.2 изображена структурная схема РТС извлечения информации, имеющая в своем составе излучающую подсистему - РПУ.

Рис. 1.2. Структурная схема РТС извлечения информации

Особенность ее по сравнению с РТС передачи информации состоит в том, что РПУ излучает в окружающую среду высокочастотные колебания , которые не содержат полезной информации. Информация (сообщение) накладывается на радиоволны в процессе их распространения и взаимодействия с окружающей средой или с подвижными объектами, находящимися в окружающей среде. Так, например, информация о скорости объекта накладывается на переносчик - радиоволны (кодируется) в виде доплеровского сдвига несущей частоты колебаний. Информация о дальности до объекта кодируется в виде временного сдвига (запаздывания) между излученными и принимаемыми колебаниями. Полезную информацию в системах измерительного типа (скорость объектов, их координаты и т.д.) как и ранее обозначим символом . Как и в РТС передачи информации в линии связи полезный сигнал (излученный сигнал с наложенной на него информацией – сообщением ) несколько изменяется: ослабляется в раз и приобретает фазовый сдвиг . Кроме того к сигналу добавляются упомянутые выше помехи . В результате принимаемое колебание, поступающее на вход РПрУ, опять имеет вид суммы: . РПрУ формирует оценку измеряемого параметра . Пассивные РТС извлечения информации отличаются от активных (рис.1.2) тем, что они не имеют РПУ. Радиоволны, содержащие полезную информацию , представляют собственное излучение, сторонних по отношению к РТС объектов.