Оптико-электронные приборы и системы Дисциплина для магистерской подготовки

Оптико-электронные приборы и системы Дисциплина для магистерской подготовки по направлению 11. 04. 01 «Радиотехника» Автор: Исаев Владимир Александрович, к. т. н. , профессор Великий Новгород, 2017

Занятие 15 МОЭС в составе аппаратурного комплекса воздушной радиационной разведки (АК ВРР) Комплекс радиосвязи АК ВРР

Пример комплексирования радиоканалов связи • В процессе работы системы связи оцениваются вероятности битовой ошибки для каждого канала связи и принимается решение о распределении командно-телеметрического потока данных между каналами. • Использование нескольких каналов связи повышает надежность системы передачи данных и в тоже время является избыточным с точки зрения эффективного использования радиочастотного спектра.

ГОСТ Р 55787 -2013 Устройства для радиосвязи, радиовещания и телевидения антенно-фидерные. Термины и определения

Антенна CA 420 Y-N в составе антенного поста СПУД

Антенна панельная SU-20 W в составе антенного поста СПУД WLAN 2200 -2800 МГц Диаграмма антенны SU-20 W в Е -плоскости

Характеристики антенны панельной SU-20 W График КСВ антенны SU-20 W Диаграмма антенны SU-20 W в H-плоскости

Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2 -е, испр. : Пер. с англ. / Б. Скляр. – М. : ИД «Вильямс» , 2003.

Структурная схема типовой реализации передатчика цифровой системы радиосвязи

Структурная схема одной из реализаций приемника цифровой системы радиосвязи

Цифровая система связи БПЛА «РМ-02» Цифровая система связи «РМ-02» предназначена для передачи командно-телеметрических данных между беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) и наземным комплексом управления (НКУ)

Системы связи комплексов БПЛА

Затухание сигнала на трассе для различных диапазонов длин волн и при различном расстоянии между БПЛА и НКУ • • Большое расстояние между БПЛА и НКУ приводит к большому затуханию сигнала на трассе, которое необходимо компенсировать повышением выходной мощности сигнала передатчиков и использованием антенных систем с большим коэффициентом усиления. Передача информации с высокой скоростью (десятки и сотни Мбит/сек) возможна только в диапазонах частот выше 1 ГГц.

Зависимость мощности теплового шума на входе приемника от ширины полосы пропускания аналогового тракта • Для расчета бюджета канала передачи информации между БПЛА и НКУ необходимо рассчитать мощность теплового шума на входе приемника, которая зависит от полосы пропускания аналогового тракта.

Кольцевая антенная решетка • Кольцевая антенная решетка может быть использована для создания антенной системы с управляемым направлением максимума диаграммы направленности. Благодаря кольцевой симметрии антенной решетки удается получить направленные диаграммы, которые мало меняются при сканировании в пределах 360º в плоскости решетки.

Массив переключаемых остронаправленных антенн • • • При использовании нескольких переключаемых остронаправленных антенн пространственные направления по азимуту разбиваются на сектора (зоны). Минимальное количество антенн – 4, в этом случае ширина диаграммы направленности должна составлять около 90º. При использовании широко распространенных патч-антенн с шириной диаграммы направленности около 60º, число секторов равно 6.

Микрополосковая двухполяризационная антенна как элемент кольцевой решетки а – дизайн антенны, б – подложка со щелями связи в металлизации и микрополосковыми линиями на противоположной стороне, в – вторая подложка с проводником квадратной формы на внутренней стороне

12 -портовая антенная решетка из шести микрополосковых антенн а – дизайн решетки, б – нумерация входов • Решетка имеет 12 входов: нечетные номера соответствуют горизонтальной поляризации параллельно плоскости XOY, а четные – вертикальной поляризации вдоль оси Z. • Для наглядности на рисунке показаны только подложки с микрополосковыми линиями и соответствующими входами.

Структура системы РМ-02 Б • Базовый вариант системы связи имеет три антенных разъёма: -первый и второй разъём используются для антенн с малым и большим коэффициентом усиления; - третий разъём предназначен для установки дополнительной приёмной антенны.

Варианты исполнения (Б) РМ-02 Б (базовый вариант): • гальваническая развязка питания; • гальваническая развязка интерфейсов; • 3 антенных разъёма; • габариты 70× 40× 20 мм (без корпуса).

Основные технические характеристики базового варианта Диапазон рабочих частот Полоса занимаемых частот по уровню -20 д. Б, не более Скорость передачи данных, до Дальность действия в условиях прямой видимости, не менее Выходная мощность передатчика, не более Вид модуляции 2400 -2483, 5 МГц Интерфейсы связи RS-232, RS-422, RS-485, 2×USB Шифрование по требованию заказчика Диапазон рабочих температур от минус 40 до +60 °C 2 МГц 250 кбит/с 30 км (имеется возможность увеличения дальности действия) +23 д. Бм (200 м. Вт) с возможностью снижения до 0 д. Бм FSK Примечание: При частотной манипуляции (ЧМн, англ. Frequency Shift Keying (FSK)) значениям « 0» и « 1» информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде.

Пример двоичной ЧМн

Варианты исполнения (У) РМ-02 У (вариант с увеличенной выходной мощностью передатчика): • выходная мощность: +30 д. Бм (1 Вт); • отдельные антенные разъёмы на приём и передачу; • габариты 60× 35× 20 мм (без корпуса).

Высокоскоростная цифровая система передачи информации «РМ-12/14» может быть использована для передачи данных полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата (БПЛА) на наземный комплекс управления (НКУ).

Структура системы РМ-12/14 • • Диапазон рабочих частот - 2400– 2483, 5 МГц Полоса занимаемых частот - 5– 20 МГц Скорость передачи данных, до 20 Мбит/с Дальность действия в условиях прямой видимости, не менее (при условии использования остронаправленной антенны на наземном комплексе управления) 30 км (имеется возможность увеличения дальности действия)

Варианты исполнения РМ-12/14

Радиомодем командно-телеметрического радиоканала РМ-16 Диапазон рабочих частот, МГц 890 Тип передачи данных Полудуплекс Максимальная скорость передачи данных, Кбит/с Режим 1 - 250 Режим 2 - 10 Чувствительность приемника, д. Бм Режим 1 минус 92 Режим 2 минус 130 Выходная мощность передатчика, Вт 1 Вид модуляции FSK, GMSK Напряжение питания, В 9 -36 Потребляемая мощность, Вт 5 Масса, Кг 0, 3 Габаритные размеры, мм 80× 50× 17 Диапазон рабочих температур, °С -40…+60 Интерфейсы связи RS-232, RS-422, RS-485, USB Максимальная дальность радиосвязи при условии обеспечения 80 прямой видимости, км (по данным производителя)

Стандарты ИСО/МЭК 24730 -2 состоит из основного документа и двух дополнительных частей и определяет сетевую систему позиционирования, которая предоставляет X-Y координаты и телеметрические данные. Система использует передатчики системы RTLS, которые автономно генерируют радиочастотные сигналы, соответствующие сигналам радиомаяка, с использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS).

ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -2 -2016 • ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -2 -2016 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 2. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц c использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS). • Стандарт ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -2 состоит из основного документа и двух дополнительных частей ИСО/МЭК 24730 -21 и ИСО/МЭК 24730 -22 и определяет сетевую систему позиционирования, которая предоставляет X-Y координаты и телеметрические данные. Система использует передатчики системы RTLS, которые автономно генерируют радиочастотные сигналы, соответствующие сигналам радиомаяка, с использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS).

Стандарты серии 24730 • ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -21 -2014 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 21. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц c использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS): Передатчики системы RTLS, работающие с одним расширяющим кодом и использующие кодирование данных DBPSK и схему расширения BPSK • ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -22 -2014 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 22. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц с использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS): Передатчики системы RTLS, работающие с несколькими кодами расширения спектра и использующие кодирование данных QPSK и схему расширения QPSK со смещением функции Уолша (WOQPSK)

ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -21 -2014

Приложение 1 Андреев А. В. , Кальной А. И. , Хомяков К. А. Разработка методики оценки показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры для беспилотных летательных аппаратов // Изв. Тул. ГУ. Технические науки. - 2016. – № 9.

Андреев А. В. , Кальной А. И. , Хомяков К. А. Разработка методики оценки показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры для беспилотных летательных аппаратов

Оценка показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры для беспилотных летательных аппаратов • Для разработки ОЭ ОПС целесообразно использовать оптикоэлектронные информационные каналы на базе телевизионных (ТВ) и тепловизионных (Тп. В) каналов, которые обеспечивают многоканальность в обзорно-прицельных системах. • В качестве показателя эффективности таких каналов принимается дальность распознавания объекта с заданным уровнем детализации при определённой вероятности. Возможен и обратный пересчёт – т. е. определение вероятности распознавания объекта с заданным уровнем детализации на определённой дальности. • В основу методики положен частотно-энергетический подход. Цель заменяется эквивалентной штриховой мирой, количество тёмных и белых штрихов в которой определяется на основе критерия Джонсона, а контраст между тёмным и белым штрихами равен контрасту цели с фоном в плоскости цели.

Методика состоит из следующих шагов: 1. Выбор из справочных данных размеры фотоприёмной секции ПЗС-матрицы или линейки. 2. Расчёт коэффициента ослабления излучения атмосферой α в спектральном диапазоне работы ПЗС-датчика по модели, изложенной в учебном пособии: Карасик В. Е. , Орлов В. М. Лазерные системы видения. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 352 с. 3. Расчёт идеальной дальности действия ТВ канала Dид, т. е. геометрической дальность действия: Dид = ∆⋅ fоб ⋅ nэг / l фкг , где ∆ – детальность, м/стр. ; fоб – фокусное расстояние объектива, мм; lфкг – размер фотоприёмной секции в горизонтальном направлении, мм; nэг − число чувствительных элементов по горизонтали.

Методика состоит из следующих шагов: (продолжение) 4. Расчёт контрастной чувствительности зрения в реальных условиях ТВ наблюдения: где – контрастная чувствительность зрения в нормальных условиях; Кпор – пороговый контраст зрительной системы, Кпор≈0. 017; fi – нормировочные функции. 5. Расчёт контраста на входе оптической системы K′ по формуле Кошмидера: где Ko –контраст в плоскости цели; w – коэффициент погоды; rф – коэффициент яркости фона.

Методика состоит из следующих шагов: (продолжение) 6. Расчёт модуляционного контраста С на входе оптической системы: С = K′⋅ (2 - K′). 7. Расчёт модуляционного контраста на экране индикатора C′: C′ = C ⋅ H (v) , H (v) = Hопт (v) ⋅ Hпр (v) ⋅ Hвсу (v) ⋅ Hэл (v) ⋅ Hатм (v) ⋅ Hин (v), где H (v) , Hопт (v), Hпр (v), Hвсу (v), Hэл (v), Hатм (v), Hин (v) – модуляционная передаточная функция (МПФ), информационного канала, оптической системы, ПЗС, индикатора, электронного тракта, атмосферы, и МПФ, учитывающая инерционность приёмника соответственно; ν – пространственная частота, мрад-1. 8. см. продолжение в статье Андреев А. В. , Кальной А. И. , Хомяков К. А. Разработка методики оценки показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры для беспилотных летательных аппаратов

Приложение 2 Физические реализации последовательного интерфейса (RS-232, RS-423, RS-485)

Интерфейс RS-232 • RS-232 — (англ. Recommended Standard 232 — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса (UART)) проводной дуплексный интерфейс. • Метод передачи данных аналогичен асинхронному последовательному интерфейсу. • Информация передается по проводам двоичным сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому « 0» соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической « 1» — отрицательное (от − 5 до − 15 В для передатчика). • Для электрического согласования линий RS-232 и стандартной цифровой логики UART выпускается большая номенклатура микросхем драйверов, например, MAX 232.

ГОСТ 18145 -81

Характеристики последовательных интерфейсов Тип RS-232 C Схема V, длина линии L дуплекс L=15 м, V=20 Кбит/с дуплекс L=9 м, V=100 Кбит/с L=91 м, V=10 Кбит/с L=1200 м, V=1 Кбит/с дуплекс L=12 м, V=10 Мбит/с L=120 м, V=1 Мбит/с L=1200 м, V=100 Кбит/с RS-423 A RS-422 A RS-485 A L=12 м, V=10 Мбит/с L=120 м, V=1 Мбит/с L=1200 м, V=100 Кбит/с полудуплекс, до 32 параллельно соединенных приемопередатчиков

Параметры интерфейсов RS-422 и RS-485

Интерфейс RS-422 и RS-485 • RS-485/RS-422 используют экранированную витую пару, экран в качестве сигнальной земли. Хотя сигнальная земля обязательна, она не используется для определения логического состояния линии. • Устройство, управляющее сбалансированной линией (balanced line driver), может (для RS-485 - обязательно, для RS-422 - нет) так же иметь входной сигнал "Enable" (Разрешен), который используется для управления выходными терминалами устройства. • Если сигнал "Enable" выключен, то это значит, что устройство отключено от линии, причем отключенное состояние устройства обычно называется "tristate" (т. е. третье состояние, вдобавок к двоичным 1 и 0).

Сравнительная таблица интерфейсов RS 232, RS-422 и RS-485 • • Интерфейс на RS-422 изначально предусматривает использование четырехжильной экранированной витой пары, но допускает соединения только от одного устройства к другим (до пяти драйверов и до десяти ресиверов на каждый драйвер). Интерфейс RS-422 был придуман для замены RS-232 в тех случаях, когда RS 232 не удовлетворяет по скорости и дальности передачи.

Интерфейс RS-485 • • • Стандарт на RS-485 предусматривает только 32 пары передатчик/приемник, но производители расширили возможности RS-485 протокола, так что теперь он поддерживает от 128 до 255 устройств на одной линии, а используя репитеры можно продлевать RS-485/RS-422 практически до бесконечности. Так же стандарт на RS-485 предусматривает использование двухжильной экранированной витой пары, так называемый 2 -wire RS-485, но возможно использование и четырехпроводной витой пары (4 -wire RS-485), тогда получается полный дуплекс. В таком случае, необходимо чтобы одно из устройств было сконфигурировано как ведущее (Master), а остальные как ведомые (Slave). Тогда все ведомые устройства общаются только с ведущим устройством, и никогда не передают ничего напрямую другу. В таких случаях обычно RS-422 драйвер используется как ведущее устройство, т. к. RS-422 допускает подключения только как master/slave, а RS-485 устройства как ведомые, для общего удешевления системы.

Учебное задание • Изучить разделы 4. 2, 4. 3, 4. 4 учебного пособия Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. - М. : Издательский дом «Вильямс» , 2003 ; • Познакомиться с содержанием ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -21 -2014 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 21. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц c использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS): Передатчики системы RTLS, работающие с одним расширяющим кодом и использующие кодирование данных DBPSK и схему расширения BPSK Примечание: учебные материалы размещены на портале Нов. ГУ (Исаев Владимир Александрович > ОЭ приборы и системы > …)

Список литературы 1. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, Изд. 2 -е, испр. : Пер. с англ. / Б. Скляр. – М. : Издательский дом «Вильямс» , 2003. – 1104 c. 2. Окунев Ю. Цифровая передача информации фазомодулированными сигналами / Ю. Б. Окунев. – М. : Радио и связь, 1991. – 296 c. 3. Макаров И. В. , Кокорин В. И. Комплекс управления беспилотными летательными аппаратами для дистанционного зондирования Земли //Современные проблемы радиоэлектроники : сб. науч. тр. / под ред. : А. И. Громыко, Г. С. Патрина. – Красноярск, Сиб. Федер. ун-т , 2010. – С. 6 – 10. 4. Боев Н. М. Анализ командно-телеметрической радиолинии связи с беспилотными летательными аппаратами // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. – 2012. - № 2 (42). – С. 86– 91.

Список литературы (продолжение) 6. Боев Н. М. Синхронизация цифровых программно-определяемых систем связи по сигналам СРНС // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. – 2012. - № 6 (46). – С. 34– 37. 7. Боев Н. М. , Лебедев Ю. А. Управление энергетической эффективностью совмещенных каналов передачи данных единой системы связи // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева. – 2013. - № 1 (47). – С. 11– 15. 8. Решение Государственной комиссии по радиочастотам при Министерстве информационных технологий и связи Российской Федерации от 6 декабря 2004 г. № 04 -03 -04 -003 «Об использовании полосы радиочастот 2400– 2483, 5 МГц для внутриофисных систем передачи данных» .

Список литературы (продолжение) 9. ГОСТ Р 55787 -2013 Устройства для радиосвязи, радиовещания и телевидения антенно-фидерные. Термины и определения 10. ГОСТ 18145 -81 Цепи на стыке С 2 аппаратуры передачи данных с оконечным оборудованием при последовательном вводе-выводе данных. Номенклатура и технические требования 11. Бабаскин А. А. , Калиничев В. И. Кольцевая антенная решетка для точек доступа с полным покрытием по азимуту // Журнал радиоэлектроники. – 2014. - № 6. – С. 1 -11. 12. Вишневский В. М. , Ляхов А. И, Портной С. Л. , Шахнович И. В. , Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М. : Техносфера, 2005. – 592 с. 13. ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -2 -2016 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 2. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц c использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS).

Список литературы (продолжение) 14. ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -21 -2014 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 21. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц c использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS): Передатчики системы RTLS, работающие с одним расширяющим кодом и использующие кодирование данных DBPSK и схему расширения BPSK 15. ГОСТ Р ИСО/МЭК 24730 -22 -2015 Информационные технологии. Системы позиционирования в реальном времени (RTLS). Часть 22. Протокол радиоинтерфейса для связи на частоте 2, 4 ГГц с использованием расширения спектра методом прямой последовательности (DSSS): Передатчики системы RTLS, работающие с несколькими кодами расширения спектра и использующие кодирование данных QPSK и схему расширения QPSK со смещением функции Уолша (WOQPSK)

Список литературы (продолжение) 16. Источники и приемники излучения / Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, Г. В. Польщиков. – СПб: Политехника, 1991. - 240 с. 17. Андреев А. В. , Кальной А. И. , Хомяков К. А. Разработка методики оценки показателей эффективности бортовой телевизионной аппаратуры для беспилотных летательных аппаратов // Изв. Тул. ГУ. Технические науки. - 2016. – № 9. – С. 45 -50. 18. Андросов А. Ю. , Аршакян А. А. , Кузнецова Т. Р. Выделение образа маркера из изображения // Изв. Тул. ГУ. Технические науки. - 2016. – № 9. – С. 51 -58.

Спасибо за внимание! E-mail: vladimir. isaev@novsu. ru