Теория и проектирование радиосистем радиоуправления и передачи информации

Москва

Горячая линия – Телеком

2018

Допущено федеральным учебно-методическим объединением     

в системе высшего образования по укрупненной группе 

специальностей и направлений подготовки                                   

24.00.00 –«Авиационная и ракетно-космическая техника»             
в качестве учебного пособия для студентов, аспирантов             
и адъюнктов, обучающихся по основным образовательным 

программам высшего образования по направлению подготовки 

24.03.02 – «Системы управления движением и навигация», 

специальности 24.05.06 – «Системы управления летательными 

аппаратами», 24.05.01 – «Проектирование, производство              
и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», 

11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы»

УДК 621.396.93/.96 (075.8) 
ББК 32.84 
    В26 
Р е ц е н з е н т ы:   
гл. конструктор направления АО «Российские космические системы», 
доктор техн. наук  А. И. Жодзишский;  доктор техн. наук,  
профессор  В. Е. Фарбер 

 

Вейцель В.А. 
В26           Теория и проектирование радиосистем радиоуправления  
и передачи информации. Учебное пособие для вузов. – М.: 
Горячая линия – Телеком, 2018. – 182 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0713-3. 

Рассмотрены общие вопросы теории проектирования различных информационных радиоэлектронных систем и  взаимосвязь 
различных подходов и методов анализа и синтеза радиосистем. 
На конкретных примерах показано использование общих методов 
физических и математических решений при проектировании 
радиосистем комплексов радиоуправления. 
Для студентов, аспирантов и адъюнктов, обучающихся по  направлению подготовки 24.03.02 – «Системы управления движением и навигация»; специальностям 24.05.06 – « Системы управления 
летательными аппаратами», 24.05.01 – «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», 11.05.01 – «Радиоэлектронные системы и комплексы», будет 
полезна инженерам и научным работникам, чья деятельность связана с исследованием, разработкой и эксплуатацией радиосистем. 

ББК 32.84 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Учебное издание 

Вейцель Виктор Абрамович

Теория и проектирование радиосистем 

радиоуправления и передачи информации 

Учебное пособие для вузов 

 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать  15.04.2018.  Печать цифровая. Формат 6088/16. Уч. изд. л. 11.74.   
Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.) Изд. №180713 
ООО Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
ISBN 978-5-9912-0713-3                                   ©  В. А. Вейцель, 2018 
©  Научно-техническое издательство 
«Горячая линия – Телеком», 2018 

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Теория и проектирование радиосистем радиоуправления и передачи информации» посвящено предмету, входящему в состав цикла учебных дисциплин, который в учебном плане
радиофакультета определяют как цикл «Радиоэлектронные системы и комплексы».
Предмет, которому посвящено данное учебное пособие, — один
из тех, которые обычно завершают этот цикл. В учебных планах
вузов подобные дисциплины часто разделяют на отдельные учебные предметы. В таких случаях к общему определению названия
дисциплины иногда добавляют уточнение названий конкретных видов систем, что позволяет детализировать изучение круга вопросов,
выбрав наиболее важные для конкретных специальностей.
В данном случае такое уточнение позволяет сосредоточить внимание на радиоэлектронных системах, предназначенных для радиоуправления подвижными объектами (атмосферными и космическими аппаратами), а также наземными машинами и агрегатами, работа которых тесно связана с информацией, получаемой от объектов,
удаленных на большие расстояния.
В состав этого цикла входят учебные дисциплины с разными вариантами таких названий, как «Радиолокация», «Радионавигация»,
«Радиоуправление», «Радиопередача информации» и др. Кроме того, в этот же цикл обычно включается ряд дисциплин, которые ежегодно утверждаются учеными советами вузов и факультетов. Названия дисциплин меняются, но остаются неизменными основы и
содержание таких дисциплин, которые определяют подготовку специалистов широкого профиля, способных участвовать в проектировании и модернизации сложных радиоэлектронных систем и комплексов на всех этапах создания новой техники.
Выпускники вузов и университетов с такой подготовкой обычно
составляют основу коллективов, которые в промышленности комплектуют отделы и лаборатории, носящие названия «Тематические», «Комплексные», «Системные» и др. Соответствующие специалисты успешно работают на предприятиях, которые создают, заказывают, принимают и эксплуатируют образцы специальной техники.
Основательная подготовка в учебных планах этих специальностей по специальным разделам математики, компьютерной техники

Введение

и компьютерного моделирования, основ современной технологии и
др., дает возможность выпускникам участвовать в работе подразделений, специализирующихся на разработке различных радиоустройств, обеспечивая принятие оптимальных решений, учитывающих сопряжение интересов отдельных устройств и системы в целом.
В учебном плане факультета Радиоэлектроники МАИ по данному предмету предусмотрено также проведение практических занятий и лабораторных работ, по которым имеются отдельные учебные
пособия.
Данное учебное пособие в основном посвящено вопросам теории
и практики проектирования на начальном этапе, который обычно
называют этапом системного проектирования. Этот этап начинается
с технического предложения и анализа потребностей рынка, включает разработку технического задания на проект системы, определяет состав потребителей, взаимодействие со смежными системами
и комплексами. Участники системного проектирования выбирают
принцип действия системы, предлагают структурную схему и состав основных подсистем и устройств, выбирают необходимые радиосигналы. На этом этапе выполняется анализ и синтез, при котором определяются ожидаемые показатели качества проектируемой
системы.
Они сравниваются с показателями качества известных,
аналогичных систем, подтверждают возможность выполнения требований технического задания и оценивают достигаемые показатели
системы по сравнению с теоретическим пределом при данном расходе ресурсов.
Системное проектирование обычно доводится до разработки
технических заданий на проектирование систем и устройств, входящих в состав большой системы.
Данное учебное пособие состоит из четырех частей:
• первая часть — «Вопросы теории»;
• вторая часть — «Практика проектирования»;
• третья часть — «Задачи и решения»;
• четвертая часть — «Подсказки и советы».
В части I «Вопросы теории» рассматриваются основные разделы общей теории и следующих из нее теоретических методов, которые широко используются в практике проектирования. Овладение
этим материалом дает возможность инженеру-проектировщику отрываться от копирования известных образцов и разрабатывать образцы аппаратуры новых поколений.
Часть II «Практика проектирования» показывает на конкретном примере системы радиоуправления, как происходит процесс со

Введение
5

здания нового проекта. Здесь можно понять, как общие положения
теории можно использовать для конкретного решения проектных
задач. Кроме того, из практики проектирования выявляются проблемы, решение которых со временем занимают свое место в общей
теории и стимулируют ее развитие.
I и II части полностью направлены на то, чтобы помочь учащимся овладеть умением решать конкретные инженерные задачи.
Молодому специалисту необходимо усвоить, что инженерные задачи (или задания) отличаются от задач «школьного» типа, которые
всегда уже кем-то решались и имеют готовые ответы. В условиях
школьных задач указано все, что нужно для решения и нет ничего лишнего. В инженерных задачах, чаще всего, все иначе. Надо
научиться не удивляться тому, что от молодого специалиста обычно не только требуют рассказать «как надо решать» поставленную
задачу, надо еще ее решить и обосновать правильность решения. И
еще, надо понимать, что твое решение далеко не всегда сможет ктонибудь проверить. А за последствия ошибки отвечать придется самому исполнителю.
Теоретические проблемы, которые рассматриваются в учебном
пособии, периодически прерываются включениями специальных заданий (или конкретных задач), которые в основном предполагают
самостоятельную работу учащихся для проверки понимания изложенного материала. Однако практика показывает, что такое включение часто ставит учащегося «в тупик», а плановых аудиторных
занятий обычно не хватает для своевременной помощи.
В пособии важную роль отводится рассмотрению способов решения задач и ответов на вопросы, в том числе, когда для подробного исследования мало времени. Для этого предназначены отдельные разделы.
В части III, которая носит традиционное название «Задачи и решения», собраны примеры задач с подробными решениями, которые
полезны по существу, хотя является прямым продолжением некоторых частных разделов основного текста. Такой материал может
усваиваться и «пассивно» запоминаться, но оставляет мало возможностей для тренировки индивидуального обдумывания особенностей
конкретного задания, что особенно важно для инженера.
В части IV «Подсказки и советы» сделана попытка подтолкнуть к размышлению над задачей, не давая возможности прямого
списывания готового решения. Здесь представляется полезным использовать многолетний опыт школьников и студентов на зачетах

Введение

и экзаменах, накопленный за время ученичества и успешно применяемый в дальнейшем.
За первые годы обучения на радиофакультете студентами должны быть получены и усвоены перечисленные ниже знания, необходимые для понимания материала в данном учебном пособии:
• понятия и методы из курсов «Радиотехнические цепи и сигналы», «Статистическая радиотехника» и др., где рассматривались характеристики детерминированных и случайных явлений
и изучались процессы в электрических устройствах и системах;
• детерминированные и случайные процессы.
Амплитудный и
фазовый спектр; энергетический спектр, корреляционная функция; время корреляции.
• закон распределения вероятностей; стационарные и нестационарные случайные процессы; средняя частота и полоса частот,
занятая спектром процесса; узкополосные процессы;
• спектры модулированных сигналов АМ, ЧМ, ФМ, ИМ;
• амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные характеристики (ФЧХ) линейных систем;
• преобразование спектров детерминированных и случайных процессов в радиотехнических линейных и нелинейных операторах;
• определение статистических характеристик по результатам эксперимента и моделирования; способы измерения среднего значения,
дисперсии,
энергетического спектра,
корреляционной
функции; экспериментальная оценка вероятности события; точность измерения и определение необходимого объема выборки
при статистических экспериментах.

Часть I. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ

Глава 1. Теоретические основы системного
проектирования

На этапе системного проектирования коллектив инженеров разных специальностей, совместно с заказчиком или специалистами по
анализу потребностей рынка, иногда с участием возможных отдельных потребителей, составляет и анализирует техническое задание
(ТЗ) на разработку или модернизацию радиоэлектронной системы
(РЭС).
На этом этапе согласуются задачи, которые будут решать специалисты разного профиля, обсуждаются возможные предприятиясоисполнители, устанавливаются сроки обмена информацией и др.
Отдельно уточняются задачи для радиоинженеров.
Рассматриваются варианты структуры радиоэлектронных систем, которые
могут быть использованы как прототипы для предстоящего проектирования.
Определяются показатели качества известных аналогичных
РЭС и расход ресурсов.
Специалисты по радиоэлектронике отбирают и сравнивают виды возможных радиосигналов, оценивают показатели качества РЭС,
которые могут быть достигнуты в проектируемой системе при допустимом расходе ресурсов и потребуются для выполнения требований ТЗ.
Системный этап обычно заканчивается разработкой и обсуждением частных ТЗ на отдельные устройства и подсистемы, которые
будут проектироваться в специализированных лабораториях и отделах.

1.1. Концептуальная и имитационая модели РЭС

Концепция — способ понимания и трактовки каких-либо явлений.
Концептуальная модель системы (КМС) — отражение в человеческом сознании структуры исследуемой системы, связей между ее элементами, происходящих в ней процессов и явлений. КМС

Ч а с т ь I. Вопросы теории

субъективна, тогда как сама система объективна. Любому исследованию предшествует создание КМС, которая, собственно, и исследуется. Может показаться, что натурный эксперимент является
исключением. Однако он невозможен без того, чтобы заранее решить — какова цель эксперимента, что следует измерять, какими
методами, какими инструментами, с какой точностью и т. д., а следовательно, надо раньше создать концептуальную модель эксперимента.
Субъективное отражение неизбежно будет неполным. Однако
это не является принципиальным недостатком. Наоборот, слишком
полная и подробная модель окажется недоступной для исследования. Важнейшая задача при создании КМС — выделить основные
элементы и их связи, отбросить все остальные как несущественные.
Очевидно, что эту задачу нельзя решать независимо от цели исследования. Поэтому одна и та же система может иметь разные КМС,
а описание КМС обязательно должно содержать описание целей исследования. Так, например, строго говоря, нельзя предложить слушателям описание КМС радиоприемника, если им не известно для
каких целей она предназначена (например, для проектирования помехозащищенности и для проектирования системы охлаждения того
же приемника, потребуются совершенно разные КМС).
Первоначальная КМС возникает как «гипотеза». Гипотеза исследуется, и результаты сверяются с теми данными, которые могут
частично подтвердить или опровергнуть полученные результаты. В
зависимости от этого гипотеза модернизируется.
Для такой проверки очень полезны специальные тесты разных возмущений, в том
числе и специально поставленные натурные эксперименты.
Часто, после многих проверок, типовые КМС становятся общеупотребительными и уже не нуждаются в проверках. Хорошо известные эквивалентные схемы электрических цепей являются примером таких КМС.
Однако при проектировании новой системы обычно приходится
КМС создавать заново.
Термин «модель» часто употребляется при различных обсуждениях и не только технических проблем. Выше мы рассматривали
понятие «концептуальная модель». Другое понятие, которое также
часто употребляется, — «имитационная модель» (ИМ). В современном техническом языке под этим термином понимается некоторое
устройство или компьютерная программа, с помощью которой можно воспроизводить и наблюдать процессы, происходящие по тем же
законам, что и интересующие нас процессы в реальной системе.

Г л а в а 1. Теоретические основы системного проектирования
9

Имитационная модель в виде компьютерной программы оказывается важнейшей частью современного проектирования различных
РЭС. Программа ИМ оперирует цифровыми потоками, которые воспроизводят процессы в элементах РЭС, при внешних воздействиях,
также представленных в цифровой форме. Как правило, имитационная модель не должна и не может имитировать все свойства и
особенности концептуальной, а тем более реальной РЭС. Каждая
ИМ предназначается и создается для изучения ограниченного класса явлений. Поэтому для проекта большой системы требуется использовать много имитационных моделей, часто разных видов. Их
приходится проектировать отдельно. В сложных случаях этот проект выполняют специалисты разного профиля и опыта работы. Одни разрабатывают алгоритм модели, учитывающий существо задачи
и формулируют вопрос, на который должна ответить ИМ. Другие
создают программу, которая реализует основной алгоритм и дополнительные средства, обеспечивающие надежность решения, совместимость его с другими программами и возможности представления
результатов моделирования для анализа и проверки их правильности.
Иногда особую сложность представляет необходимость моделировать внешние воздействия на систему, главным образом по причине отсутствия информации о их структуре и параметрах. Для
таких задач создаются «полунатурные» модели, в которых соединяются имитационная компьютерная модель и натурный эксперимент.
В реальном эксперименте в типовых условиях (или на специально
оборудованных полигонах), на существующих экспериментальных
РЭС, в особую память записываются первичные измерения с выхода типовых каскадов приемника. Запись поступает на имитационную модель, где реализован алгоритм исследуемой имитационной
модели.
Проведение эксперимента требует специальных знаний и опыта работы с реальной аппаратурой. Таким образом, в число разработчиков, кроме «теоретика» и «программиста», включается третий
равноправный участник — «экспериментатор». Успешный результат гарантирует только взаимопонимание и согласованные действия
всех участников проекта.

1.2. Общая концептуальная модель радиосигнала
и вектор ее параметров

При описании модели РЭС иногда термин «сигнал» используется для обозначения процесса, несущего полезную информацию,

Ч а с т ь I. Вопросы теории

заданную в величине своих параметров. В других случаях можно
встретить тот же термин в другом понятии — в виде «мешающий
сигнал» или «сигнал помехи». В любом случае для исследования
потребуется дать его описание (модель).
Общая формула, описывающая радиосигнал, имеет следующий
вид:
U(t, x, y, a).

Здесь t — текущее время, а остальные величины обозначают три типовые группы параметров. Первая группа (x) включает «информативные» параметры, несущие полезную информацию и подлежащие
определению в РЭС. Вторая группа (y) включает априорно неизвестные, но и ненужные пользователю («паразитные») параметры.
Третья группа (a) состоит из известных параметров (заданных в
ТЗ или физических констант).
Модели детерминированных сигналов описываются формулами, в зависимости от методов модуляции, применяемых в специальных РЭС. Различают аналоговые и цифровые представления модели
сигнала (в последнем случае для компьютерной обработки).

1.2.1. Задание сигнала в виде случайного процесса
Часто требуется задавать сигнал как стационарный случайный
процесс, параметры которого не меняются. Для таких случаев обычно достаточно определять для сигнала закон распределения вероятностей, корреляционную функцию (иногда достаточно дать только
время корреляции τкор), энергетический спектр (иногда только занимаемую полосу частот (Δω) на частотной шкале).
С нестационарностью случайного сигнала обычно сталкиваются в связи с необходимостью учитывать процесс установления после
включения или в результате появления внешнего возмущения. Часто нестационарность проявляется в том, что сигнал описывается в
виде суммы стационарного случайного и детерминированного процессов.
На начальных этапах проектирования обычно определение этих
характеристик совместно с применяемым методом модуляции бывает достаточно, чтобы использовать модель сигнала при описании
полной модели РЭС.

1.2.2. Задание сигнала в виде квазигармонической
функции
Tакое представление с детерминированными или со случайными параметрами вида

u(t) = A(t) sin(ω(t) + ϕ(t))