Основы теории и проектирования радиотехнических систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Г. Я. Шайдуров 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ  

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
 
 
 
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по образованию в области радиотехники,  
электроники, биомедицинской техники и автоматизации  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
 обучающихся по направлению 210300 «Радиотехника» 

 
Красноярск  
СФУ 
2010 

УДК 621.396.96 (07) 
ББК
32.84я73
Ш12

Рецензенты:

Г. С. Шарыгин, доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой 
радиотехнических систем Томского государственного университета систем
управления и радиоэлектроники;
А. А. Спектор, доктор технических наук, профессор заведующий кафедрой 
теоретических основ радиотехники Новосибирского государственного технического университета;
В. К. Орлов, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических 
систем Санкт-Петербургского электротехнического университета ЛЭТИ 
им. В. И. Ульянова (Ленина)

Шайдуров Г. Я.

Ш12
Основы теории и проектирования радиотехнических систем : 

учеб. пособие / Г. Я. Шайдуров.  Красноярск : Сибирский федеральный университет, 2010.  283 с.

ISBN 978-5-7638-2047-8

Изложены системные проблемы создания сложных радиотехнических 

комплексов, теоретические основы анализа и синтеза оптимальных систем, приведены основы энергетических расчетов радиоканалов передачи и 
извлечения информации в различных диапазонах частот.

Содержание соответствует требованиям одноименного курса, читаемого ин
женерам и магистрам радиотехнических специальностей.

УДК 621.396.96(07)
ББК 32.84я73

Учебное издание

Шайдуров Георгий Яковлевич

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие

Редактор А. В. Прохоренко

Компьютерная верстка: А. Б. Филимонова

Подписано в печать 20.10.2010. Печать плоская. Формат 60×84/16
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 16,16. Тираж 500 экз.  Заказ № 1432

Редакционно-издательский отдел БИК
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Отпечатано полиграфическим центром БИК
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

© Сибирский федеральный 

ISBN 978-5-7638-2047-8
университет, 2010

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПВО – противовоздушная оборона
НИР – научно-исследовательская работа
ОКР – опытно-конструкторские работы
ОИ – обработка информации
ОАО – открытое акционерное общество
ОП – опытное производство
КБ – конструкторское бюро
НТУ – научно-технический уровень
ТС – техническое средство
БТС – базовое техническое средство
ТР – техническое решение
ТО – технический объект
САПР – система автоматического проектирования
САПРб/у/сх/с – соответственно САПР блоков, узлов, схем, систем
КНЧ – крайне низкие частоты
СДВ – сверхдлинные волны
ДВ – длинные волны
КВ – короткие волны
УКВ – ультракороткие волны
СВЧ – сверхвысокие частоты
НВС – нехудший вариант системы
МШУ – малошумящий усилитель
ППРЧ – псевдослучайная перестройка радиочастоты (прыгающая частота)
МПС – модуляция псевдослучайным сигналом
ЭМ – электромагнитная волна
РПИ – радиоканал передачи информации
РП – радиопередатчик 
РПР – радиоприемник
РЛС – радиолокационная система
КНД – коэффициент направленного действия
МПЧ – максимально применяемые частоты
КПД – коэффициент полезного действия
ЧМН – частотная модуляция несущей
ФМН – фазовая модуляция несущей
ЗГ – задающий генератор
БМ – балансный модулятор
ПФ – полосовой фильтр
УсМ – усилитель мощности
Гет. – гетеродин

УВЧ – усилитель высокой частоты
ЧД – частотный детектор
УПЧ – усилитель промежуточной частоты
ФСС – фильтр сосредоточенной селекции
Преобр. – преобразователь частоты
ИКМ – импульсно-кодовая модуляция
ИСЗ – искусственный спутник Земли
МККР – международный консультативный комитет по радиосвязи
ПЧ – промежуточная частота
ДН – диаграмма направленности
П – передатчик
ПР – приемник
РРВ – распространение радиоволн
СП – синхронные помехи
ЗС – зондирующий сигнал
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
С/П – отношение сигнал/помеха
Ш/П – отношение шум/помеха

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии изложены и обобщены как оригинальные мате
риалы, касающиеся данного курса, так и опубликованные в различных источниках – учебниках, учебных пособиях, монографиях, научных статьях. 
Поскольку некоторые из них были изданы 30–40 лет назад и в библиотеках 
остались как раритеты, но содержание относится к классическим разделам 
радиотехники, особенно это касается методик расчетов, то в данное учебное пособие они введены в виде отдельных глав и параграфов в той редакции, в которой были опубликованы ранее. Разумеется, каждый из этих разделов отмечен ссылкой на оригинальный источник.

На наш взгляд, это дает возможность познакомить студентов со сти
лем и образом мыслей специалистов научных школ разных лет.

Безусловно, на формирование курса, который автор читает студен
там радиотехнических специальностей много лет, отложили основополагающий след книги Л. С. Гуткина и работы его учеников по оптимальному 
скалярному и векторному синтезу параметров и структуры радиосистем.

Поскольку системный подход включает в себя как эвристические, 

так и математические методы проектирования, то в настоящем учебном 
пособии они изложены в той последовательности, которую проходит радиоинженер в процессе создания проекта.

Это касается постановки задачи, составления плана мероприятий по 

организации процесса проектирования, оценки энергетических соотношений в радиоканалах, использования основополагающих сведений по математическому анализу и оптимальному синтезу радиосистем, перспективам 
развития адаптивных и обучаемых систем. Автор счел также необходимым 
обратить внимание будущих радиоспециалистов на рыночный характер 
создаваемых проектов в условиях жесткой конкуренции наукоемких технологий, на развитие малого бизнеса в этой области, изобретательства 
и предпринимательства.
После изучения данного курса студент должен уметь:

1. Составить техническое задание на НИР и ОКР, план проектирова
ния системы.

2. Составить план организационных мероприятий – количественный 

и качественный состав бригад, материальное и ресурсное обеспечение, 
взаимодействие с субподрядчиками и т. п.

3. Работать с информационными документами – составлять каталог 

патентной литературы и публикаций, ориентироваться в нормалях и государственных стандартах, пользоваться техническими справочниками.

4. Составить функциональную и структурную схемы системы.
5. Произвести энергетические расчеты радиоканалов.

6. Оценить качественные показатели работы системы – пропускную 

способность, точность, помехозащищенность, надежность, стоимость, 
электромагнитную совместимость.

7. Произвести скалярный синтез оптимальной системы по выбран
ному критерию качества.

8. Произвести векторный синтез оптимальной системы по совокуп
ности критериев качества.

9. Составить структурную схему адаптивных и обучающихся систем 

для задач обнаружения, распознавания, фильтрации и идентификации.

10. На основе системного подхода дать нестандартное решение по
ставленной задачи в области проектирования радиосистем.

Базовые вопросы

1. Принципы системного подхода к проектированию и организации 

разработок новой радиоэлектронной техники.

2. Методы идентификации линейных систем с использованием гар
монических, импульсных и случайных сигналов.

3. Энергетические соотношения в радиоканалах различного назначе
ния.

4. Метод правдоподобия в задачах оптимального синтеза систем об
наружения, фильтрации и оценки параметров.

5. Методы скалярного синтеза оптимальной радиосистемы при огра
ничениях типа равенств на основе метода Лагранжа.

6. Методы векторного синтеза оптимальной радиосистемы с исполь
зованием диаграмм обмена между показателями качества.

7. Методы синтеза адаптивных и обучающихся систем.
Список литературы для изучения данного курса приведен в конце 

каждой главы.

1. ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ 

И ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РАЗРАБОТОК 

НОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

В настоящем разделе изучаются основы системного подхода к реше
нию различных проблем технического, экономического, военного характера и, в частности, к созданию новой радиоэлектронной техники.

В понятие система включаются как вновь создаваемые радиоэлек
тронные средства, так и предприятия разработчика или заказчика, полная 
совокупность организаций, создающих новую технику или решающих новую проблему.

В последние годы определилось понятие большой системы как ком
плекса частных подсистем, решающих определенную задачу. Под частными подсистемами можно понимать, например, машины, приборы, коллективы и организации людей.

Большая система характеризуется следующими особенностями:

 определенной целостностью, т. к. строится для достижения опреде
ленной цели;

 взаимным влиянием действующих факторов: изменение одной пере
менной будет влиять на многие другие переменные системы, зачастую нелинейно и лишь редко линейным образом;

 наличием множественных петель обратной связи;
 наличием состязающихся и соперничающих сторон. Иными словами –

наличием некой разумной силы (противника), пытающегося уменьшить эффективность системы.
Примерами больших систем могут служить: система ПВО, системы 

космической радиосвязи, система управления запуском, слежением и посадкой космических кораблей, завод, объединение, министерство и т. п.

Перечисленные выше особенности больших систем вызвали необходи
мость разработки специального аппарата их исследования и создания. Действительно, сегодня стоимость риска при создании больших систем настолько 
велика, что чисто интуитивный бессистемный подход, могущий на самом начальном этапе предопределить ее участь, становится бессмысленным.

Не менее важно изучение основ системного анализа и синтеза для 

оптимального функционирования любого вида бизнеса в условиях рыночной экономики.

Особенное значение это приобретает в конкурирующей среде для 

наукоемкого производства, поскольку стоимость проектной ошибки на 
ранних стадиях работы нелинейно возрастает по мере ее окончания.

По статистическим данным США ошибка стоимостью в 1 долл. на

стадии НИР приводит к 10 долл. на стадии ОКР, к 100 – на производстве, 
к 1000 – в эксплуатации.

Это требует как от руководства, так и от исполнителя освоения 

и понимания научного подхода к организации ведения разработок, базирующихся на новой кибернетической дисциплине – «Теории анализа систем».

Исторически основные идеи системного анализа начали складывать
ся в период Второй мировой войны как интуитивная и математическая база 
планирования военных операций.

Основы этой новой науки были заложены работами корпорации 

REND CORPORATION. Одной из первых задач, послуживших основой 
создания методов системного анализа, была задача, предложенная командованием ВВС США Гарвардским курсам деловой администрации: «найти 
способ увеличения в течение года существующего состава ВВС с 4 тыс. 
самолетов и 300 тыс. чел. до 80 тыс. самолетов и 2,5 млн чел., но так, чтобы это обошлось не более 10 млрд долл.». Была создана секция статистического контроля, в работе которой принял участие бывший министр обороны США Роберт Макнамара. К концу года поставленная проблема была 
решена.

Дальнейшее развитие этой методологии проводилось главным обра
зом силами компании REND. В настоящее время методология анализа 
принята в США официально как необходимое условие планирования стратегии, операций, разработок военной техники.

Разработка сверхзвукового бомбардировщика В-58 впервые постав
лена как система.

Анализ систем является необходимой составной частью учебной 

программы курсов руководителей, школ менеджеров и других учебных заведений, готовящих организаторов и руководителей различных рангов.

1.1. Основные понятия

Системный анализ базируется на целом ряде обобщенных понятий 

и философских категорий, таких как связь, свойства, процесс, качество, 
познание и др. [1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5].

Как и всякая наука, системный анализ обобщает понятие «система» 

и оперирует не с конкретным содержанием системы, а с их наиболее общими свойствами. Это позволяет сформулировать целый ряд рекомендаций, позволяющих методически оптимально подходить к решению любой 
проблемы и свести к минимуму ошибочные решения.

Всякая система или проблема описывается следующими параметра
ми, являющимися объектами системы: вход – процесс – выход – обратная
связь – ограничение и управление. Их взаимоотношение можно представить следующей функциональной схемой, являющейся одновременно 
и моделью системы (рис. 1.1).

В большую систему входит множество подобных приведенных на 

схеме (рис. 1.2) подсистем.

Входы – это внешние и внутренние возмущения, нарушающие дей
ствие системы.

Выходы – это результаты действия системы, ее цели, критерии, 

оценки и т. п.

Процесс – совокупность операций, проводимых системой над каж
дым из входов.

Управление
Ограничение
потребителя

Процессор
Выход
Вход

Обратная связь

Рис. 1.1. Модель системы

Рис. 1.2. Схема связей в большой системе

Вход
Процессор
Выход

Обратная связь

Процессор
Выход
Вход

Обратная связь

Обратная связь

Ограничение – это выходы потребителя системы, складывающиеся 

из целей и принуждающихся связей.

Обратная связь – операции по управлению входами в зависимости от 

результата, т. е. выхода.

Управление – прямое действие ограничений потребителя на входы, 

процесс и выходы.

В качестве примера технической системы можно взять командную 

систему наведения управляемого снаряда на цель (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Система командного управления наведения снаряда на цель:

1 – РЛС цели; 2 – РЛС снаряда; 3 – линия командного управления; 4 – ЭВМ; 

5 – управляемый снаряд; 6 – цель

Здесь в качестве возмущающихся входов являются цель, помехи, ус
ловия окружающей среды, возможность поражения снарядом класса воздух-земля и др.

Выходы – положение снаряда относительно цели (ошибка управления).
Система должна быть спроектирована так, чтобы она удовлетворяла 

ряд критериев, например таких, как максимальное количество поражаемых 
целей в единицу времени при заданных ограничениях на входы (скорость 
цели, маневр, параметры движения) и при заданных ограничениях потребителя (заказчика). Например, стоимость разработки и эксплуатации системы не должна превышать заданной. Нужно учесть также сроки ввода 
в строй системы, неопределенности политической, военной, тактической 
ситуации в будущем. Ведь система может быть создана через 5–10 лет после начала ее разработки. За это время многое может измениться.

Неопределенность входов и выходов является главной особенностью 

разработки новых систем оборонной техники.

6

1
2
3

4

6

5