Пример системного проектирования по техническому заданию
Системное проектирование радиолинии для передачи цифровых команд со стационарного наземного пункта управления на борт искусственного спутника Земли. Расчет параметров базового варианта радиолинии. Анализ и оценка результатов расчетов и моделирования.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.10.2015 |
| Размер файла | 64,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПРИМЕР СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ ЗАДАНИЮ
1. Техническое задание (ТЗ)
Требуется выполнить системное проектирование радиолинии для передачи цифровых команд со стационарного наземного пункта управления (ПУ) на борт ИСЗ.
Исходные данные об орбите космического аппарата, положение пункта управления и требования к радиолинии задаются в варианте Задания; (Примеры возможных вариантов приведены в разделе 14.5 в главе 14, Табл. 14.1 - 14.3).
На этапе системного проектирования требуется выбрать сеанс связи, в течение которого должны быть переданы команды управления, принята телеметрическая информация и уточнены параметры орбиты спутника.
Следует учесть, что в сеансе спутник может вращаться. Не исключено появление импульсных помех от соседних радиоэлектронных систем.
При проектировании надо ориентироваться на согласованные требования к количеству и качеству переданной и принятой на борту командной информации, и дополнительные данные о наличных технических ресурсах.
(В данном случае, в наличные технические ресурсы, можно включить перечень вариантов, которые имеются в стандартном пакете программ модели «ИНФОРМАЦИЯ»)
По результатам системного проекта надо определить основные характеристики командной радиолинии и разработать задания для проектирования подсистем передающей и приемной аппаратуры.
2. Условия работы командной радиолинии
В первой части проекта следует провести расчет основных характеристик, определяющих условия связи пункта управления с космическим аппаратом.
Чтобы описать условия, в которых будет работать персонал пункта управления, найдите по заданным координатам положение пункта на географической карте и обратитесь к соответствующим справочникам. Выясните, будет ли пункт управления на корабле или на суше, на территории какого государства, вблизи каких крупных населенных пунктов. Выскажите свои рекомендации по организации успешной работы персонала.
Для расчета условий работы радиооборудования, обратитесь к программе «ORBITA» и ее описанию в главе 16. Задайте параметры процесса моделирования, соответствующие Вашему заданию, по правилам, указанным в разделе 16.2 и в Таблице 16.1 (при необходимости, заменив ими числа примера в Таблице 16.1).
Вначале следует определить зоны видимости спутника из пункта с заданными координатами. Если в течение суток таких зон несколько, надо выбрать одну, в которой выгоднее проводить сеанс. В пределах выбранной зоны следует провести моделирование с целью определить требуемые исходные условия для проектирования радиолинии.
Возможно, что среди найденных зон видимости не найдется требуемого времени для сеанса. В этом случае следует обосновать предложение - провести несколько сеансов в течение нескольких зон видимости.
Результаты расчета
Согласно Пункту 1 раздела 16.3, запустим на счет программу «ORBITA», и определим, какие зоны видимости появятся в течение суток при заданных условиях Вашего Задания. Выбираем одну из зон.
Предположим, что для рассматриваемого далее примера выбрана зона видимости с длительностью около 535 с, (от 31909.5 с до 32444.2 с).
Затем, выполняя Пункт 2 раздела 16.3, зададим границы сеанса внутри зоны видимости для дальнейших расчетов.
Выполнив Пункт 3, просмотрим значения дальностей в выбранном сеансе и найдем Максимальную дальность. Предположим, например, что она оказалась равной 1809.019 км. Затем определим границы изменения радиальной скорости, например, от -5.867 км/с до -3.547 км/с. Это позволит Вам оценить диапазон изменения допплеровской частоты в командной радиолинии.
Аналогично определим, что в начале сеанса, чтобы установить связь со спутником, антенну надо будет направить по азимуту на 76.710, и по углу места - на 10.00. В течение сеанса антенна должна будет следить за движением спутника с угловыми скоростями до 0.45 град/с, по азимуту, и до 0.14 град/с, по углу места.
3. Техническое задание на проект радиолинии
Приведем пример согласованных в ТЗ требований к командной радиолинии.
Каждая команда должна содержать код адреса и код величины команды. По Заданию, каждая команда может принимать одно из 16 возможных значений. За сеанс необходимо передать не менее 8 разных команд по 8 адресам.
Для увеличения надежности, команды могут неоднократно повторяться. При этом учитывается, что во время сеанса связи команды для управления спутником обычно сначала записываются в бортовое запоминающее устройство, и выдаются для управления в нужное время, часто, когда спутник уже вне зоны видимости. Поэтому, повторение команд в сеансе можно использовать для увеличения надежности (уменьшения вероятности ошибки).
Очевидно, что для повторения потребуется дополнительное время. Время сеанса ограничено, и оно расходуется не только для передачи команд, но еще - на этап поиска и вхождения в связь, а также для других целей, оговоренных в Задании (для приема телеметрии и для координатных измерений, поскольку в задании требуется уточнить параметры орбиты). Поэтому время надо экономить. В командной радиолинии необходимо принять ряд специальных мер, для того чтобы обеспечить высокую надежность команды при ограниченных затратах времени.
Уточним теперь согласованные в ТЗ требования к командной информации, и дополнительные данные о наличных технических решениях и расходе ресурсов.
Допустим, что в ТЗ указаны следующие характеристики командной радиолинии:
1. Длина рабочей волны -- 30 см. Нестабильность генератора несущей частоты 10-6 от номинала. Мощность передатчика -- не выше 5 Вт. Площадь передающей антенны -- не более 2 м2. Бортовая приемная антенна ненаправленная, но с провалами усиления до 0.5.
2. В приемнике действует собственный шум с шумовой температурой 1000° К. На входе могут появиться импульсные помехи от соседних радиоэлектронных систем.
3. В результате системного проектирования необходимо принять следующие решения, которые дадут основу для составления технических заданий на разработку подсистем и устройств. Требуется Выбрать метод модуляции и способ кодирования цифрового командного сигнала;
-- определить длительность символа, число символов в командном слове и параметры модуляции;
_ выбрать способ декодирования;
_ выбрать структуру радиоприемника и его параметры (полосу пропускания, вид демодулятора, амплитудную характеристику и др.);
_ задать мощность передатчика;
_ выбрать диаметр зеркала передающей антенны;
составить ТЗ на систему символьной синхронизации.
составить ТЗ на систему синхронизации по несущей частоте.
определить ожидаемую вероятность правильного прохождения команды на каждой посылке.
Определить общее время необходимое для надежной передачи всех команд.
оценить ожидаемую вероятность ошибок, которая определяет результирующую надежность командной радиолинии и сравнить ее с типовыми значениями для существующих командных радиолиний (см.. раздел 3.2.1 в главе 3 [9]).
4. Расчет параметров базового варианта радиолинии
Рассмотрим возможный порядок расчета базового варианта радиолинии для Задания, приведенного в качестве примера в предыдущем разделе. В этом разделе мы будем опираться на материал 2-й и 3-й глав учебника [9], а также на дисциплины по системам передачи информации, полагая, что проектировщик знаком с ее основами, по крайней мере, в объеме базовой учебной литературы по системам передачи информации [2, 3, 7, 8].
В данном примере рассмотрим следующий вариант.
В передающем тракте на КП формируется радиосигнал с модуляцией КИМ-ФМ. Разделение команд временное.
Поскольку важно максимально использовать ресурс времени, применяются корректирующие коды с исправлением ошибок. Для базового варианта выберем ортогональный код, имеющий большую избыточность.
Поскольку для кодирования команды принят ортогональный код, и требуется передавать (с учетом адреса) 16 различных команд, то в командном коде должно быть 16 символов.
Заметим, что при безызбыточном коде потребовалось бы только 4 символа, а для кода с проверкой четности - 5 символов. Однако ортогональный код способен обнаруживать и корректировать большее количество ошибок, а следовательно, может обеспечить большую надежность. Применение корректирующего кода не единственный способ повышения надежности. Поскольку команды закладываются в память, а исполняются позднее, надо учесть, что каждая команда может неоднократно дублироваться.
Декодирование отдельной команды при избыточном коде может привести к следующим результатам:
- правильный прием команды,
- ошибочный прием команды,
-отказ от декодирования.
Отказ - означает, что декодер обнаружил факт ошибочного приема, но не может исправить ошибку и аннулирует пришедшее сообщение.
Каждый из этих результатов является случайным событием и оценивается соответствующей вероятностью.
Прежде всего, необходимо решить какие действия должны быть предприняты вслед за появлением отказа. Здесь возможны разные решения. Например, учитывая, что команды могут дублироваться, ошибочно принятая команда может быть просто пропущена. Однако, если пропусков будет много, это уменьшит надежность приема.
Другая возможность состоит в использовании радиолинии обратной связи. При таком решении сигналы отказов включаются в состав данных от бортовых датчиков телеметрической радиолинии и передаются на пункт управления (командный пункт «КП»). Тогда количество дублированных команд можно не задавать заранее. КП будет повторять команду только тогда, когда поступает сообщение об отказе. Это сэкономит время.
Отметим, что при подобных расчетах всегда приходится рассматривать и сравнивать разные варианты технических решений, при которых происходит обмен между надежностью приема и расходом ресурсов. Надежность определяется вероятностью ошибочно принятой команды. Ресурсом, обычно является расход энергии на передачу. В одних ситуациях энергия в основном лимитируется временем, в других - мощностью передатчика. К ресурсам могут относиться и другие факторы - ограничения по стоимости, требования электромагнитной совместимости, допустимые размеры антенны, диапазон занимаемых частот и др.
Следующим пунктом, необходимо выполнить энергетический расчет радиолинии, т.е определить энергетическое отношение, которое надо обеспечить, чтобы получить достаточно высокую надежность в самых благоприятных условиях, когда единственной помехой является собственный шум приемника.
Рассмотрим на примерах методы такого расчета, который позволяет установить количественные связи между надежностью приема команды и энергетическими затратами.
Допустим, что для декодирования ортогонального кода применяется посимвольный прием (как более простой для декодирования). 16-разрядный ортогональный код имеет кодовое расстояние, равное 8, и, следовательно, может исправлять одно-, двух- и трехкратные ошибки. Четырехкратные ошибки только обнаруживаются, но не исправляются, и сообщение не пропускается декодером. При ошибках большей кратности команда будет ложной.
Замечаем, что в модели «Информация» имеется стандартный модуль для нужного декодера [см. главу 15]. Этот декодер исправляет принятую запрещенную кодовую комбинацию на ближайшую к ней разрешенную кодовую комбинацию. При наличии четырехкратной ошибки декодер фиксирует «Отказ от декодирования» (или «Пропуск команды).
Вероятность пропуска команды (т.е. четырехкратной ошибки в 16-разрядном кодовом слове) при расчете будет определяться числом возможных сочетаний из четырех ошибочных символов и находится как:
pпроп =C164 pош4 (1 - pош)12, (17.1)
где pош - - вероятность ошибки одиночного символа.
Число сочетаний из 16 по 4 равно C164 =1820. Эта формула применима, если ошибки символов считаются независимыми, что справедливо при действии широкополосного шума.
Декодер выдает правильное решение, если ошибок нет или их кратность не больше трех. Поэтому вероятность правильного решения (pправ) равна сумме вероятностей четырех несовместимых событий: отсутствие ошибки, или появление одно-, двух- и трехкратной ошибки:
pправ = (1- pош)16 + C161 pош (1- pош)15 + C162 pош 2(1- pош)14 +
C163 pош 3(1- pош)13,
где C161=16, C162=120, C163=560. (17.2)
Вероятность ошибочного декодирования (т.е. приема ложной команды) равна:
Pдк = 1 - pправ - pпроп (17.3)
Допустим, что вероятность ошибочного приема одиночной команды не должна превысить величины: рдк = 0.001, тогда требуемую величину ошибки символа рош, находим следующим подбором. Зададим последовательно значения pош, например, от 0.01 до 0.06.
Подставив эти величины в формулы (17.1) - (17.3), получим значения Pдк в диапазоне от 4е-07 до 1.94е-03. Заданное значение рдк = 0.001 лежит в этом интервале. Значит рош должно быть от 0.01 до 0.06. Повторяя подбор, выберем значение Pош, которое дает Pдк, близкое к величине 0.001. Расчет показывает, что вероятность ошибки символа, равная Pош = 0.045, является допустимой величиной.
Теперь займемся случаями, когда декодер отказывается от декодирования. Вероятность таких событий определяется формулой (17.1) и для Pош = 0.045, найдем Pпроп = 4.34е-03. Как видим, пропуски команд в среднем будут встречаться чаще, чем ошибочные решения.
Примем, что каждый отказ, через линию обратной связи, дает сигнал переспроса на пункт управления для повторения пропущенной команды. Сигнал переспроса несет только один бит информации и можно допустить, что на пункте управления он будет принят без искажений. Тогда повторная передача команды произойдет в таких же условиях, как предыдущая и, независимо от предыдущей, может закончиться одним из тех же трех случайных событий, при тех же вероятностях.
Первые два события (правильное и ошибочное решения) означают прекращение переспросов. Третье - отказ, вызовет новый переспрос и т. д.
Допустим, что мы ограничили переспросы конечным числом N и оценим вероятность того, что и в конце останется ложная команда, т.е. команда с необнаруженной ошибкой.
Вероятность появления необнаруженной ошибки, после i-кратного повторения одной команды, равна Pдк (pпроп)i. В этом выражении второй множитель характеризует вероятность появления обнаруженной ошибки в каждом из предыдущих переспросов.
Тогда, вероятность ложной команды, оставшаяся после N переспросов (Pлк(N)), будет равна:
Pлк(N) = pлк (17.4)
Заметим, что в формулу (17.4) входит сумма N членов геометрической прогрессии и, следовательно, находим:
Pлк(N) = pлк (17.5)
Подставив сюда найденные значения pлк и pпроп увидим, что уже при двух - трех повторениях (N>3) пропуски команд можно не учитывать и считать Pлк (N) ? pлк (17.6)
Если Pлк надо еще уменьшить и позволяет время, можно выполнить дублирование команды, уже не обращаясь к линии обратной связи. В таком случае, получив выборку одинаковых при передаче команд, в которых после приема уже будут только правильные или ошибочные решения, можно провести анализ, сравнивая их по каждому символу. Правильным будет признан очередной символ (1 или 0), который встретился более, чем в половине членов выборки («по большинству голосов»). Чем больше объем выборки, тем выше будет вероятность правильной команды. Расчет вероятности ошибки, оставшейся после дублирования команд, можно найти в фундаментальной монографии [4], в разделе «Дискретное сложение».
Если брать нечетное количество дублированных команд (D), то решение по каждому символу будет однозначным и вероятность ошибочной команды после дублирования определяется по формуле
Pлк(D) = , (17.7)
где D = 2q-1 - нечетное число дублированных команд при заданном целом числе q.
CDi - число сочетаний из D по i.
По формуле (17.7) можно подсчитать, что при pлк ? 0.001 достаточно трех - пяти повторений, чтобы уменьшить вероятность ложной команды до уровня меньше 10-6. Это соответствует типичным требованиям высокой надежности.
Энергия сигнала, необходимая для достижения заданных вероятностей при действии шума, зависит от структуры сигнала и способа его приема. Существует теоретический предел точности, достижимый при оптимальном построении приемного тракта. Варианты типовых приемных трактов для сигнала КИМ-ФМ описаны в главах 3 и 9 в [9]. В рассматриваемых «идеальных» условиях можно считать, что эти схемы осуществляют оптимальное распознавание символа на фоне белого шума.
Вероятность ошибки (pош), при оптимальном распознавании одиночного символа, для заданной затраты энергии сигнала, можно рассчитать, например, воспользовавшись формулой (9.10) из главы 9 упомянутого учебника. Если же задать значение вероятности (pош = 0.045), то из той же формулы, найдем энергетическое отношение (QE ) на входе приемника, обеспечивающее требуемую вероятность.
Для подобных расчетов, можно пользоваться таблицами специальных функций, которые приводятся в соответствующих справочниках. Модель «ИНФОРМАЦИЯ» позволяет упростить эту работу, поскольку для стандартных ситуаций, кроме статистического эксперимента, выполняет также энергетический расчет по известным формулам. Обратимся к Модели и будем задавать разные значения энергетического отношения. (Согласно описанию в главе 15, раздел 15.5, для этого надо задавать значения A[151] ). Перебрав несколько значений и считывая результаты в файле RES7.TXT, найдем, что при QE = A[151] = 1.45, оптимальное различение противоположных сигналов обеспечивает вероятность ошибки 0.0443, что достаточно близко к заданной величине Pош. Энергетическое отношение определяется как (см. раздел 2.6 главы 2 [9])
QE = Рс, Тс / Gш (17.8)
где Рс, Тс, Gш -- значения соответственно мощности сигнала, длительности символа, спектральной плотности шума на входе приемника. В рассматриваемом примере величина Gш определяется заданной шумовой температурой 1000оК. (постоянная Больцмана 1.38е-23 Вт/Гц/Град.). Следовательно, требуемую энергию (Рс Тс) для найденной величины QE можно обеспечить, выбрав длительность символа Тс (с учетом допустимого расхода времени) и рассчитав мощность передатчика, которая потребуется, чтобы иметь нужную мощность Рс на входе приемника.
Для рассматриваемого случая используем ( найденную в разделе 17.2) дальность связи (для расчетов можно принять 2000 км) и заданную длину волны (0.3 м).
Задав время, которое можно выделить на передачу команд из общего интервала видимости спутника, и учитывая общее число символов, которое потребуется для обеспечения надежности, определим длительность одного символа.
Для расчета мощности передатчика, очевидно, придется задавать характеристики антенн и учесть потери мощности при передаче.
Расчет энергетического потенциала в космической радиолинии подробно рассматривался в главе 2 [9] (раздел 2.6). Там же были рассмотрены и основные потери мощности.
Нам придется учесть еще ряд дополнительных потерь.
Прежде всего, надо решить, является ли командная радиолиния независимой, или входит в состав совмещенной командно-измерительной радиолинии. Последний вариант был рассмотрен в главе 9 [9]. При совмещении, на передачу команд затрачивается только часть излучаемой передатчиком мощности (в примере, рассмотренном в главе 9, около 9%).
Далее следует учесть, что при вращении спутника возникнут потери из-за провалов в диаграмме направленности приемной антенны. В первом приближении можно рассматривать худший случай и рассчитывать на максимальные потери из-за провала в диаграмме.
Дополнительные потери могут возникнуть, если в сигнале КИМ-ФМ девиацию фазы (?Ц) сделать меньше 90о. В таком случае потери мощности определяются коэффициентом sin2?Ц. Чтобы избежать этих потерь, часто берут ?Ц=90о, хотя известно, что такое решение потребует использовать специальную схему фазовой автоподстройки частоты. Кроме того, надо еще позаботиться о том, чтобы при детектировании фазовой модуляции не возникал режим «обратной работы».
Еще потери мощности появятся из-за ошибки в фазе опорного напряжения, которое выдает ФАП, что уменьшает коэффициент передачи синхронного детектора по сигналу. Если допустить, что ошибка составляет 10°, то потери мощности будут определяться множителем cos210° = 0,97.
Следующий источник потерь в энергетическом отношении возникает из-за неполного использования длительности символа Тс. В основном это связано с ошибками системы символьной синхронизации. Действие шума приводит к флуктуациям метки, определяющей моменты начала символов. Вследствие этого, в интервал интегрирования попадает только часть основного символа, а остальное время интегрируется соседний символ, который может оказаться противоположного знака.
Для оценки величины таких потерь можно воспользоваться расчетами системы синхронизации символов, приведенными в главе 9 [9]. Там было показано, что СКО временных флуктуаций зависит от длительности символов, отношения мощности сигнала к спектральной плотности шума и постоянной времени системы, следящей за задержкой. В техническом задании на проектирование системы символьной синхронизации следует потребовать, чтобы СКО временных флуктуаций не превышало
3 -5% от длительности символа. Тогда, при расчете, этими потерями можно будет пренебречь.
Оценив потери и используя методику расчетов, изложенную во 2-й главе [9] (в разделе 2.6), можно определить мощность сигнала, которая должна быть излучена передатчиком, чтобы обеспечить требуемое энергетическое отношение на входе приемника при дальности связи не превышающей 2000 км.
Если требуемую для расчета величину площади передающей антенны, взять максимально допустимой по заданию: 2 м2, то учтя дополнительные потери, мы найдем необходимую минимальную мощность передатчика, которую следует сравнить с допустимой по ТЗ мощностью в 5 Вт. Сравнение покажет, можем ли мы удовлетворить требования технического задания и достаточно ли для этого подходят полученные нами условия проведения сеанса.
Приведенный пример естественно не исчерпывает всех проблем, которые могут при этом возникнуть.
5. Моделирование базового варианта
Объединяя техническое задание и результаты расчетов, определим исходные данные для моделирования базового варианта радиолинии с помощью модели «ИНФОРМАЦИЯ».
Как следует из инструкции в главе 15, для моделирования надо задать характеристики основных блоков радиолинии и параметры внешних воздействий. Тогда модель сможет провести статистический эксперимент и рассчитать вероятности ошибок в приеме команд, передаваемых по радиолинии. Моделирования позволит устранить некоторые предположения и допущения, которые пришлось сделать, чтобы довести теоретической расчет до конечного результата.
Определим, какие исходные данные надо ввести в модель, чтобы выполнить моделирование рассматриваемого примера.
Прежде всего, надо будет указать, что потребуется 16 различных команд, закодированных ортогональным кодом и задать JU=16. Потребуется задать и общее число (M) передаваемых команд в модельном эксперименте.
Существенно подчеркнуть, что число команд (M), задаваемых для моделирования, никак не связано с числом команд, которое фактически передается за сеанс связи. Величина M определяет объем выборки случайных ошибок, по которым модель оценивает вероятности, и назначение этой величины определяется требованиями к точности результатов моделирования.
Согласно заданию, через радиолинию передаются последовательно команды, которые можно считать независимыми. Модель «Информация» позволяет имитировать поток случайных сообщений.
По-видимому, наиболее близким к реальности в данном случае, будет предположение, что источник и получатель сообщений малоподвижны, поскольку оценка исходных условий показала, что расстояние между ними мало меняется за время сеанса.
Начать моделирование можно с ортогонального кода, который рассматривался при расчете. Однако возможно, что полезно попробовать и более простые коды.
Модель позволяет формировать радиосигнал КИМ-ФМ с девиацией фазы 90°. Для такого сигнала предлагается радиоканал с синхронным детектированием, в котором опорное напряжение формируется системой ФАП. Возможно, что при ортогональном коде для работы при заданных помехах подойдет линейный канал без ограничителя в УПЧ. Однако возможно, что ограничитель будет более полезен для подавления коротких импульсных помех большой мощности, о которых упоминается в вариантах ТЗ. Это целесообразно проверить на модели.
Для декодирования можно взять посимвольный декодер по Хеммингу, для которого делался расчет.
Замирания амплитуды из-за вращения спутника, можно задать, выбрав соответствующий параметр глубины периодических замираний. Это ближе к реальности, чем оценка, основанная на предположении, что потери максимальны.
Параметры помех от систем синхронизации можно подбирать на модели для того, чтобы дать ТЗ на проектирование соответствующих устройств. При этом придется искать компромисс между противоречивыми решениями - облегчить проектирование устройств синхронизации или уменьшить вероятность ошибок в передаче команд за счет расхода ресурсов на системы синхронизации. Предварительная оценка, сделанная при расчете, подскажет с чего начинать поиск приемлемых параметров.
Моделирование можно закончить, когда удастся подобрать еще не заданные в ТЗ параметры радиолинии, при которых вероятности ошибок будут близкими к требованиям ТЗ на радиолинию, а расход ресурсов не будет излишним.
6. Анализ и оценка результатов расчетов и моделирования
радиолиния спутник цифровой моделирование
Возможность использования имитационной модели существенно облегчает расчеты и выбор вариантов радиолинии. Часто будет достаточно рассчитать теоретически в первом приближении только базовый вариант, а затем модернизировать его, пробуя разные сочетания блоков и параметров, которые предоставляет модель.
Разумеется, такой метод «проб и ошибок» будет эффективен не при случайном переборе, а только если пользователь обладает достаточной квалификацией. Тогда каждый следующий вариант, который намечается попробовать, будет выбираться целенаправленно, с учетом предыдущих ошибок и поиск быстро приведет к цели.
При совместном использовании результатов расчета и моделирования обязательно придется встретиться с проблемой их сравнения. Собственно сама проблема состоит в том, что эти два метода дают результаты, которые никогда точно не совпадают, и проектировщик должен решать - чему верить. Определенного и однозначного ответа на этот вопрос не существует. Общая рекомендация состоит в том, что результат заслуживает доверия, если расчет и модель не противоречат друг другу и количественная разница находится в разумных пределах. Далее все зависит от квалификации, интуиции и опыта. Если результаты отличаются от ожидаемых или друг от друга более, чем на порядок, следует заподозрить наличие аномальной ошибки в расчете или при моделировании.
Часто большие ошибки в теоретическом расчете связаны с использованием приближений и допущений, которые не справедливы в условиях данной задачи. Ошибки при моделировании могут быть связаны с недостаточным объемом выборки. Так, например, можно задать объем выборки М=10000 и получить статистические вероятности ошибок только за счет действия шума. Формула (9.20) из [9] позволяет оценить точность найденных статистических вероятностей величиной среднеквадратической ошибки. Но ведь статистическая ошибка эксперимента может в несколько раз превышать СКО, значит, такой объем выборки может оказаться недостаточным. Если оцениваются ошибки в условиях, при которых ошибки нельзя считать строго независимыми, точность статистических оценок еще уменьшается.
Выполняя рассматриваемое задание, обратимся к Имитационной модели, установим объем выборки М=10000 и зададим только шумовую помеху при A[151] = 1.45. После расчета прочтем результаты в файле RES7.TXT. В принятых здесь обозначениях будут получены величины статистических оценок:
pош = 0.0552; pлк = 0.0003; pпроп = 0.0057;
Сравним, например, расчетную вероятность ошибки символа, найденную по формуле (9.10) [9], (при заданном энергетическом отношении 1.45 получается: pош-расчет =0.0443), со статистической оценкой, вычисленной на модели: pош = 0.0552;
Можно ли считать, что такое расхождение расчетных и статистических оценок определяется только недостаточным объемом выборки и, увеличивая объем, мы будем неограниченно сближать оценки? Такой вывод был бы ошибочен.
Статистическая и расчетная вероятности ошибки символа, в данном случае различаются во втором десятичном знаке, хотя исходные условия считаются одинаковыми. Кроме объема выборки, можно указать еще много причин такого расхождения.
Во-первых, уже сам расчет по формуле (9.10) не может быть точным, поскольку интеграл вероятности вычисляется численно, а значит уже с ошибкой. Важнее, однако, что формула (9.10) выведена в предположении, что шум имеет нормальный закон распределения вероятностей. Но это - не может точно соответствовать реальному шуму приемника. Правда и в модели шум формируется датчиком случайных чисел, распределение вероятностей которого, только приблизительно соответствует закону Гаусса и тоже не совпадает точно с реальным шумом.
Формула (9.10) предполагает, что априорные вероятности нулей и единиц одинаковы, но в статистической выборке модели число нулей и единиц немного различаются. Теоретический расчет, на котором основана формула (9.10), сделан для аналоговой схемы, модель же работает дискретно и т. д.
Таким образом, есть и всегда будут причины для различия, даже при условиях, которые, как будто бы, полностью идентичны, а объем выборки очень большой. Однако различия в оценках, для которых можно указать понятные причины (как показано в данном примере), не мешают признать, что в данном случае результаты двух методов анализа не противоречивы.
Какие направления модернизации базового варианта могут быть предложены и проверены на модели в данном конкретном случае?
Например, можно варьировать соотношение между размерами антенны и мощностью передатчика. Известно, что именно эти параметры наиболее существенны при оценке общей стоимости радиолинии [5]. Значит не обязательно выбирать передающую антенну с максимально допустимой площадью (2м), если ТЗ допускает еще увеличение мощности передатчика.
Согласно ТЗ, в радиолинии действует не только широкополосный шум, но еще и импульсные помехи.
Помеха вместе с ФМ-сигналом проходит через синхронный детектор и интегрируется за время символа. Строгий аналитический расчет действия импульсной помехи довольно сложен. Несущая частота помехи и ее фаза не связаны с несущей сигнала. Следовательно, импульс помехи может, как усилить, так и подавить сигнал в той части символа, которая закрыта помехой.
Для моделирования импульсной помехи, (согласно условиям ТЗ и указаниям в разделе 15.5 в главе 15), следует задать относительную амплитуду и средний интервал повторения импульсов. Мощность помеховых импульсов обычно настолько превосходит мощность непрерывного сигнала, что ее действие невозможно компенсировать увеличением мощности сигнала. Если моделирование покажет, что импульсные помехи сильно снижают надежность, то следует пробовать разные специальные средства защиты от импульсных помех. Например, может оказаться, что уже применение ортогонального кода с большой корректирующей способностью достаточно для того, чтобы импульсы помехи слабо влияли на надежность приема команд. Можно попробовать еще увеличить надежность, заменив посимвольный прием - на прием в целом кодовых слов. Возможно, однако, что выгоднее окажется использование более простого кода, например, кода с проверкой четности, но при введении ограничителя в приемный канал. Все эти варианты трудно просчитать, но можно проверить на модели.
Аналогично решаются проблемы при других видах помех. Так, например, действие гармонической помехи при аналитическом расчете в первом приближении можно учесть путем соответствующего увеличения мощности шума. Модель уточнит насколько справедливо такое допущение.
На модели можно оценить влияние ошибок в системах синхронизации, которые при теоретическом расчете не учитывались. Варианты радиоканалов с фазовой модуляцией могут быть особо чувствительны к аномальным явлениям в системах ФАП. Особенно часто с такими ошибками приходится сталкиваться при подвижных пунктах управления с высокой динамикой. (в модели ИНФОРМАЦИЯ предусмотрен такой режим).
Случайный переход ФАП в режим «обратной работы» может полностью исказить команды. Если такая опасность считается реальной, надо предусмотреть меры защиты. Например, можно выделить время для периодической передачи специальных контрольных кодовых слов, искажение которых покажет, что ФАП перешла в режим обратной работы и надо ввести компенсацию, заменив значения символов - на обратные. Возможно, что лучше перейти к модуляции ОФМ, а может быть даже к ЧМ или АМ, отказавшись от использования ФАП. Эффективность подобных мер можно проверить на модели, например, меняя варианты источника сообщений и внося изменения в базовый вариант, по очереди или совместно.
Окончательное решение не может быть однозначным. Не выходя за рамки заданных условий, можно обосновано предложить разные варианты проектов для командной радиолинии.
Разумеется, изложенный здесь порядок проектирования не является обязательным. Студенту предоставляется право предлагать свои варианты технических решений в режиме диалога с компьютером, обосновывая их целесообразность.
В заключение напомним, что и возможности моделирования не безграничны. Так, возможность достижения малой вероятности ложной команды после дублирования, которая согласно расчетам должна быть меньше 10-6, не удастся проверить моделированием.
Список рекомендуемой литературы
1. Березин Л. В., Вейцель В. А. Теория и проектирование радиосистем. М.: Сов. радио, 1977.
2. Пенин П. И. Системы передачи цифровой информации. М.: Сов.радио, 1976.
3. Радиосистемы передачи информации / Тепляков И. М., Рощин Б. В., Фомин А. И., Вейцель В. А. М.: Радио и связь, 1982.
4. Финк Л. М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.
5. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. М.: Радио и связь, 1986.
6. Задачник по курсу «Основы теории радиотехнических систем»: Под ред. П.А. Бакулева и В.А. Вейцеля. М. «Радио и связь». 1996.
7. Радиосистемы и сети передачи информации. Под ред. Р.Б. Мазепы. М. «Издательство МАИ» 2002.
8. Радиосистемы передачи информации / В.А. Васин, В.В. Калмыков, Ю.Н. Себекин, А.И. Сенин, И.Б. Федоров. Под редакцией И.Б. Федорова и В.В. Калмыкова. М. Горячая линия - Телеком, 2005.
9. Радиосистемы управления. Под редакцией В.А. Вейцеля. М. ДРОФА. 2005.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Радиолиния земной волны: расчет параметров, напряженности поля и максимальной дальности. Вычисление уровня сигнала на тропосферной радиолинии, стандартный множитель ослабления, оценка влияния рельефа. Определение потери энергии на поглощение в атмосфере.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.11.2013Основные технические характеристики системы. Структурная схема передающей команды радиолинии. Контур управления, его анализ. Разработка функциональной схемы радиолинии, принципиальной схемы системы тактовой синхронизации. Конструкция бортового приемника
курсовая работа [278,0 K], добавлен 07.02.2011Управление системой наведения по радиозоне, которая обеспечивает движение снаряда в заданной вертикальной плоскости с использованием радиолинии с амплитудной модуляцией при непрерывном режиме излучения. Расчет энергетического потенциала радиолинии.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 25.12.2008Проектирование радиоэлектронной системы передачи непрерывных сообщений по цифровым каналам. Расчет и выбор параметров преобразования сообщения в цифровую форму, радиолинии передачи информации с объекта. Описание структурной схемы центральной станции.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 07.07.2009Эскизное проектирование цифровых систем передачи, выбор аппаратуры и трассы магистрали. Оценка параметров дискретизации, квантования и кодирования. Оценка параметров дискретизации, квантования и кодирования. Формирование структуры цикла передачи сигнала.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 05.11.2015Общая характеристика системы командного управления. Выбор ее основных технических характеристик. Структура группового сигнала и расчет его параметров. Спектр сигнала КИМ-ФМ. Расчет энергетического потенциала и разработка функциональной схемы радиолинии.
курсовая работа [658,7 K], добавлен 09.02.2012Характеристика системы управления, определение частоты дискретизации и разрядности квантования. Структура и спектр группового сигнала. Контур управления и его анализ. Расчет энергетического потенциала и разработка функциональной схемы радиолинии.
курсовая работа [718,9 K], добавлен 14.02.2012Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014Разработка командной радиолинии КИМ-ФМ-ФМ: выбор технических характеристик, расчет частоты дискретизации и разрядности квантования; описание структуры группового сигнала и принципов работы приемника и передатчика. Особенности контура управления.
курсовая работа [473,3 K], добавлен 07.02.2011Основные методы проектирования и разработки электронных устройств. Расчет их статических и динамических параметров. Практическое применение пакета схемотехнического моделирования MicroCap 8 для моделирования усилителя в частотной и временной областях.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 23.07.2013
