Введение. 
Радиотехнические системы

В основе радиотехники как области науки и техники, использующей распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, лежит решение таких задач на основе использования их свойств, как передача, извлечение и накопление информации.

Радиотехнические системы являются информационными системами, в состав которых входит «радиоканал» — открытое пространство, с использованием которого решаются информационные задачи, ради которых и создают радиотехнические системы (РТС). Наличие свободного пространства является основным отличием радиотехнических систем от электронной аппаратуры, которая тоже решает информационные задачи и может объединяться в большие комплексы.

Особенность современного развития науки и техники — использование «системных методов» или «системного подхода». Под системой понимают совокупность взаимосвязанных разнородных частей (подсистем), совместно решающих общую задачу. Системный подход предполагает изучаемый, создаваемый, используемый объект рассматривать как систему. Под иерархией систем подразумевается, что каждая система состоит из взаимосвязанных подсистем и входит в систему более высокого уровня — «суперсистему». Вид систем может быть достаточно разнообразен. Это могут быть сложные, рассредоточенные образования, решающие большие по масштабам задачи, например, общегосударственная автоматизированная система управления воздушным движением. В нее входят разнообразные по видам подсистемы: совокупность самолетов, аэропортов, радиои нсрадиотехнических устройств и систем управления движением, разрешенных маршрутов движения и пунктов управления, погодных условий, пассажиропотоков и операторов, управляющих элементами системы. Входящая в суперсистему радиотехническая система осуществляет управление движением. В нее в качестве подсистемы может входить система радиосвязи, состоящая из радиопередатчиков и т. д. Радиопередатчик в свою очередь имеет, например, подсистему «модулятор» и т. п.

Системный подход подразумевает выделение в системе подсистем и взаимосвязей, существенных для ее функционирования, и отбрасывание менее значимых частей. При таком подходе возможно построение «обозримой» структуры системы, для которой возможно построение математической модели, позволяющей получать численные результаты и осуществлять «оптимизацию» параметров системы. Даже в тех случаях, когда нс удается получить математические модели, системный подход важен как метод мышления, позволяющий получить правильные качественные результаты, как методологическая основа, которая в дальнейшем будет развиваться.

Проведем классификацию РТС по информационному признаку — содержание информации прямо связано и с назначением системы. Отметим, что в зависимости от назначения системы изменяются принципы действия, используемые частоты, требования к скорости выдачи информации, ее количеству и точности, а также к конструктивно-техническим и эксплуатационным параметрам и характеристикам.

Радиотехнические системы можно разделить на системы: передачи информации, извлечения информации, радиоуправления и разрушения информации.

Представим классификацию РТС по назначению в виде табл. 1.

Проблема помехоустойчивости (одна из центральных, стержневых проблем радиотехники со времени ее возникновения и до настоящего времени) находится в своеобразном состоянии. С одной стороны, теория потенциальной помехоустойчивости и оптимального приема при действии нормальных шумов практически полностью завершена к стала классической, с другой стороны, практика постоянно выдвигает новые задачи, выходящие за рамки корреляционной теории.

Для современных радиосистем нормальные шумы не единственный и в настоящее время не основной вид помех; зачастую не тепловые флуктуации определяют предельные возможности радиопередачи, что обусловлено рядом причин, связанных с бурным развитием и широким внедрением во все области человеческой деятельности радиоэлектронных информационных систем.

Во-первых, хорошо изучена и доведена до инженерных приложений теория приема в шумах, ее идеи и метода освоены широким кругом специалистов, накопивших опыт и есть многочисленные проверенные в эксплуатации варианты оптимальных и квазиоптимальных корреляционных приемников. В определенной степени развита и корреляционная теория оптимальных сигналов.

Во-вторых, теснота в эфире, загруженность освоенных диапазонов волн, нарушение регламентации их использования, несовершенство аппаратуры (излучение и прием по боковым лепесткам диаграмм направленности, на гармониках основных частот, помехи по общим цепям питания и т. п.) приводят к большому уровню взаимных помех — к проблеме электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем и устройств. Особо отметим широкий класс радиоэлектронных систем разнообразного назначения, принципиально подверженных интенсивным потокам внутрисистемных помех — это асинхронные импульсные радиосистемы (АИРС). В таких системах многочисленные корреспонденты обмениваются сообщениями в общих радиоканалах без какой-либо синхронизации, что и приводит к внутрисистемным помехам.

В-третьих, весьма многочисленна категория радиосистем, аппаратура которых подвергается воздействиям различного рода: интенсивным вибрациям, перепадам температуры, давления, радиоактивному воздействию и т. д., что в конечном итоге вызывает некоторые результирующие электрические возмущения в работающей аппаратуре — виброакустические шумы и другие помехи аддитивного и мультипликативного характера.

И, наконец, в-четвертых, широкое использование радиоэлектроники в военных целях приводит к радиопротиводействию — к организации умышленных помех.

Таким образом, возникает сложная ситуация — каждая система передачи оказывается в условиях одновременного воздействия совокупности разнородных мешающих колебаний — комплекса помех и реальных возмущений. Несмотря на большое число исследований и публикаций, реальные комбинации помех в учебной литературе описаны недостаточно, исследованы только разрозненные частные случаи компонент, рассматриваемые отдельно от комплекса; гем более нет единых достаточно общих теоретических методов. Практика защиты от подобных помех находится на уровне отдельных изобретений. Особенно ярко эти проблемы проявляются при построении информационных радиосистем в авиационно-космических и других областях техники с подвижными объектами. Такие системы обеспечивают решение разнообразных задач радиовизирования, управления, радиотелеметрии, радиосвязи и др. Ответственность задач, решаемых такими системами, обусловливает высокие требования к качеству и эффективности обслуживания всех объектов при постоянном усложнении условий работы.

Для радиолиний авиационно-космических радиосистем характерна мобильность: взаимное положение передатчиков и приемников в процессе работы непрерывно изменяется, часто сопровождаясь специальными маневрами объектов-носителей аппаратуры как на орбитах и в атмосфере Земли, так и на сс поверхности — на суше и на морс. Поверхность Земли оказывает влияние на работу радиолиний, вызывая резкую (до десятков децибел) интерференционную изрезанность диаграмм направленности (ДН) наземных приемо-передатчиков, ограничивая радиогоризонт и порождая поток отраженных сигналов.

На работу радиолинии влияет и рефракция. При наличии отраженных сигналов и внутрисистемных помех усложняется повышение помехоустойчивости традиционными способами увеличения энергетической и информационной избыточности. Действительно, чем мощнее передатчики и чем чувствительнее приемники в данной радиосистеме, тем больше вклад каждого конкретного передатчика в поток внутри системных помех.

13 радиосистсмах с подвижными объектами сигналы и помехи являются случайными. Распределения вероятности сигналов и помех весьма разнообразны и, к сожалению, не описываются однозначно гауссовским законом. Сложность и разнообразие негауссовских сигналов и помех порождаются совместным действием различных типов передатчиков и постановщиков помех с неравномерными ДН антенн, случайностью их числа, расположения, ориентации и скорости перемещения, различной степенью и нерегулярностью влияния поверхности и атмосферы Земли, условий распространения радиоволн и т. д. Сюда же относятся технологический и климатический разброс параметров аппаратуры различных объектов, одновременно работающих в различных условиях, влияние вибраций и других возмущающих воздействий. На наземный или бортовой приемник могут приходить сигналы от передатчиков, расположенных на объектах с минимальным и максимальным удалением, работающих, при крайне противоположных значениях дестабилизирующих факторов и т.и. Поэтому в радиосистемах с подвижными объектами динамический диапазон сигналов и помех достигает ста и более децибел. Это значительно превышает квазилинейные участки амплитудных характеристик типовых радио-технических элементов.

Современные радиосистемы обслуживают многочисленные подвижные объекты. Массовость аппаратуры приводит к необходимости высокой аппаратурной надежности, взаимозаменяемости, технологичности и минимально возможной стоимости при жестких ограничениях на габариты, вес и условия размещения на объектахносителях аппаратуры. Зачастую необходимо комплексирование с другими бортовыми системами данного объекта-носителя при максимальном сохранении технических характеристик сопрягаемой аппаратуры. Отметим также необходимость преемственности при усовершенствовании действующих радиосисгем с подвижными объектами.

Введение

всякой новой или радикальное изменение действующей системы является сложной организационно-экономической задачей. Все это требует при создании аппаратуры бортевых радиосистем относительно простых технических решений, учитывающих производственно-эксплуатационные факторы.

Таким образом, особенности построения и функционирования радиосистем с подвижными объектами порождают ряд особенностей процессов присма-псрсдачи в радиолиниях этих систем:

• — негауссовский характер сигналов и помех, при этом в ряде случаев прямое наращивание потенциала нс приводит непосредственно к улучшению качества работы системы;
• — нелинейность аппаратуры, вызванная огромным динамическим диапазоном сигналов и помех;
• — необходимость относительно простых технических решений при разработке массовой аппаратуры, сочетающих учет производственно-эксплуатационных факторов с обеспечением высокого качества работы системы.

Негауссовость сигналов и помех, нелинейность процедур их обработки и ограничения на реализуемость этих процедур приводят к недостаточности использования только гауссовских моделей и связанных с ними линейных алгоритмов обработки, характеризующих корреляционную теорию. Корреляционные методы неадекватны действительному положению как в части описания реальных сигнальнопомеховых ситуаций, так и в части стохастического анализа и синтеза. Корреляционная теория нс обеспечивает должного программирования инженерных разработок, так как её объяснительно-предсказательные возможности практически исчерпаны. Всё это требует использования новых методов анализа и синтеза информационных радиосистем, один из когорых и излагается в настоящем пособии в главах 1 — 4.