Радиотехника, в том числе системы и устройства радиолокации

«Утверждаю»
Проректор по научной работе БГУИР
________________Муравьев В.В.
«____»_________________2001г.
Программа
вступительного экзамена по специальности 05.12.04
"Радиотехника, в том числе системы и устройства радиолокации,
радионавигации и телевидения"
Минск 2001
Программа рассмотрена на заседании кафедры радиотехнических систем
(протокол от «_21_» _05_ 2001 года № _9_)
Заведующий кафедрой
В.Н. Левкович
Программа одобрена на научно-техническом совете по радиотехнике и связи
(протокол от «_____» _______ 2001
№ ______)
Сопредседатель совета по специальности 05.12.04
Составители программы:
Дашенков В.М., д.т.н, проф.,
Охрименко А.Е., д.т.н, проф.,
Чердынцев В.А., д.т.н, проф.,
Саломатин С.Б., к.т.н., доц.,
Ткаченко А.П., к.т.н., доц.
2
В.А. Чердынцев
СОДЕРЖАНИЕ
В основу программы положены следующие вузовские дисциплины:
«Радиотехнические цепи и сигналы», «Радиоавтоматика», «Статистическая
радиотехника», «Теория радиосистем», «Системы радиолокации», «Системы
радионавигации», «Системы радиоуправления», «Радиотехнические системы
передачи информации», «Телевидение и отображение информации», «Теория
кодирования», «Цифровая обработка сигналов».
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ
1.1. Детерминированные сигналы
Виды сигналов и их характеристики. Векторное представление сигналов.
Спектральное представление сигналов. Обобщенный ряд Фурье. Системы
базисных функций.
Гармонический анализ периодических и непериодических сигналов.
Действительная и мнимая составляющие, модуль и фаза спектра. Связь между
спектрами одиночного и периодического сигналов. Теоремы о спектрах. Спектры
некоторых
сигналов:
гауссового,
прямоугольного,
треугольного,
экспоненциального, дельта-функции, единичного скачка. Соотношение между
длительностью импульса и шириной его спектра.
Дискретизация непрерывных сигналов. Теорема отсчетов. Ряд Котельникова.
Число степеней свободы сигнала.
Корреляционный анализ детерминированных сигналов. Соотношение между
корреляционной функцией и спектром сигнала.
1.2. Радиосигналы
Амплитудная модуляция. Спектральное и векторное представление
амплитудно-модулированного (АМ) сигнала. Энергетические соотношения при
АМ. Балансная и однополосная модуляция.
Угловая модуляция (УМ). Фаза и мгновенная частота. Спектр колебаний с УМ.
Энергетические соотношения при УМ. ЛЧМ-сигнал.
Аналитический сигнал, его спектральная и временная характеристики.
Соотношения Гильберта. Комплексная огибающая сигнала.
Модели пространственно-временной и поляризационной структуры сигналов.
Основные характеристики временной структуры сигналов. Типовые одиночные
сигналы. Последовательности одиночных сигналов. Монохроматический сигнал.
Принятый сигнал.
1.3. Прохождение детерминированных сигналов через линейные цепи с
постоянными параметрами
Математические методы анализа и описания линейных непрерывных цепей
и систем. Использование дифференциальных уравнений. Использование интеграла
3
свертки. Спектральный метод. Его связь с другими методами. Достоинства и
недостатки. Импульсная и частотная характеристики линейной цепи, их свойства.
Передаточные функции.
Типовые динамические звенья. Дифференцирующие, интегрирующие,
апериодические и избирательные цепи. Их реализация и характеристики.
Прохождение модулированных сигналов через избирательные цепи. Метод
комплексной огибающей. Показатели качества. Методы задания и определения
точности.
1.4. Нелинейные цепи и методы их анализа
Нелинейные элементы и системы, их характеристики и параметры.
Преобразование
спектра сигнала в нелинейной безинерционной цепи.
Комбинационные частоты. Метод угла отсечки. Коэффициенты Берга.
Преобразование спектра сигнала в параметрической цепи.
Методы исследования нелинейных систем. Гармоническая линеаризация.
Статистическая линеаризация.
1.5. Основные нелинейные и параметрические преобразования сигналов
Резонансное усиление колебаний. Умножение частоты. Резонансные
умножители. Параметрические умножители.
Амплитудная модуляция. Схемы, параметры и основные характеристики
амплитудных модуляторов. Выпрямление колебаний. Детектирование АМ
сигналов. Преобразование частоты.
Анализ линейных и нелинейных колебаний методом фазовой плоскости.
1.6. Автоколебательные системы
Структурная схема автоколебательной системы. Обратная связь. Роль
нелинейности. Энергетические соотношения. Мягкий и жесткий режим работы.
Критерии устойчивости линейных систем и их применимость к анализу
нелинейных систем.
Стационарный режим работы генератора. Квазилинейный метод анализа.
Баланс амплитуд и баланс фаз. Определение амплитуды колебаний.
Критерии устойчивости Гурвица, Найквиста, Михайлова.
Переходной режим генератора. Решение нелинейного уравнения генератора
методом медленно меняющихся амплитуд. Закон установления амплитуды
колебаний.
Генераторы на двухполюсниках с отрицательным сопротивлением. Условия
самовозбуждения с характеристиками N и S-типов.
RC-генераторы гармонических колебаний. Цепи обратной связи. Влияние
отрицательной обратной связи на форму колебаний. Схемы генераторов.
Релаксационные генераторы. Переход от гармонических колебаний к
релаксационным. Блокинг-генератор. Мультивибратор.
1.7. Параметрическое возбуждение и усиление колебаний
Энергетическая трактовка процесса возбуждения колебаний в контуре при
периодическом изменении емкости. Условия самовозбуждения. Стационарный
4
режим работы параметрического генератора. Механизмы ограничения амплитуды
колебаний.
Усиление, как параметрический процесс. Энергетические соотношения
Мэнли-Роу, их физический смысл и применение для исследования различных
режимов преобразования колебаний. Одноконтурный и двухконтурные
параметрические усилители.
1.8. Случайные процессы и сигналы
Детерминированный и вероятностно-статистический подходы к изучению
сигналов. Ансамбль реализаций случайного процесса.
Одномерный закон распределения, одномерная плотность вероятности.
Двумерная плотность вероятности. Понятие о многомерных плотностях
вероятности.
Моментные функции случайных сигналов, вычисляемые из одномерной и
двумерной плотностей вероятности, их физический смысл.
Центральные моментные характеристики. Математическое ожидание,
средний квадрат, дисперсия процесса. Ковариационный и корреляционный
моменты.
Понятие о стационарности процесса. Моментные характеристики таких
сигналов.
Эргодические процессы. Принцип статистического усреднения по времени.
Спектральная плотность мощности. Связь между спектральной и
корреляционной характеристиками сигнала.
Центральная предельная теорема. Примеры ее применения. Эффект
нормализации в узкополосных цепях.
Модели случайных процессов: нормальный случайный процесс; «белый
шум». Их статистические характеристики.
Воздействие случайных сигналов на радиотехнические устройства.
Линейные преобразования случайных процессов. Дифференцирование
случайного сигнала. Корреляционная функция сигнала на выходе аналогового
дифференцирующего устройства.
Интегрирование случайного сигнала.
Воздействие случайных сигналов на нелинейные безинерционные цепи.
Преобразование одномерной плотности вероятности сигнала в таких устройствах.
Корреляционная и спектраьная характеристики на выходе нелинейного
радиотехнического устройства.
Узкополосные случайные сигналы. Анализ статистических характеристик
огибающей и фазы суммы узкополосного нормального случайного сигнала и
гармонического сигнала. Воздействие узкополосной нормальной помехи на
линейный и квадратичный детекторы АМ сигналов.
Анализ соотношения сигнал/шум на выходе АМ детектора. Сравнение
помехоустойчивости линейного и квадратичного детекторов.
Анализ воздействия узкополосного нормального шума и также
немодулированной несущей на детектор ЧМ сигнала при большом соотношении
сигнал/помеха на входе.
5
Случайные процессы в линейных стационарных системах. Исследование
установившихся режимов. Прохождение случайных процессов через замкнутые
линейные цепи. Память следящей системы.
1.9. Введение в теорию оптимальной линейной фильтрации
Нахождение передаточной характеристики согласованного фильтра в
приближении помехи типа «белый шум». Физические процессы в фильтре,
согласованном с сигналом. Импульсная характеристика согласованного фильтра.
Форма сигнала и статистические характеристики помехи на выходе согласованного
фильтра.
2.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЛОКАЦИИ И
РАДИОНАВИГАЦИИ
2.1. Общие сведения о радиолокации и радионавигации
Основные определения и категории. Физические основы радиообнаружения и
определения местоположения объекта Задачи и принцип их решения. Состав и
классификация. Диапазон используемых волн. Основные тактико-технические
характеристики радиолокационных систем (РЛС) и радионавигационных систем
(РНС).
2.2. Основы теории обнаружения сигналов
Постановка задачи обнаружения и методика ее решения. Введение в теорию
обнаружения. Постановка задачи. Показатели качества обнаружения. Отношение
правдоподобия. Выбор порога решения.
Помехи в РЛС и РНС. Шумы и мешающие излучения. Мешающие отражения.
Методы защиты. Обнаружение сигналов на фоне коррелированных помех.
Обнаружение сигналов на фоне негауссовых помех. Обнаружение векторных
сигналов.
Корреляционный обнаружитель одиночных сигналов известной формы.
Эффективность корреляционной обработки одиночных сигналов. Отношение
сигнал/шум на выходе схем корреляционной обработки одиночных сигналов.
Потенциальная помехоустойчивость. Критичность корреляционной обработки к
параметрам опорного сигнала. Характеристики обнаружения.
Фильтровая обработка одиночных сигналов. Импульсная характеристика
оптимального фильтра. Отклик оптимального фильтра на принятый сигнал. Сжатие
сигнала во времени. Частотная характеристика оптимального фильтра.
Критичность расстройки фильтра по частоте. Эквивалентность характеристик
обнаружения при корреляционной и фильтровой обработке.
2.3. Оптимальная корреляционная и фильтровая обработка сигналов
Оптимальные
фильтры
типовых
одиночных
сигналов.
Критерии
оптимальности. Оптимальный фильтр простого прямоугольного радиоимпульса.
6
Квазиоптимальные фильтры. Оптимальный фильтр ЛЧМ радиоимпульса.
Оптимальный фильтр кодо-фазо-модулированного (КФМ) радиоимпульса.
2.4. Компенсация мешающих отражений
Когерентная компенсация мешающих отражений. Сущность и принципы
когерентной компенсации мешающих отражений. Корреляционный способ
когерентной компенсации мешающих отражений. Фильтровой способ когерентной
компенсации мешающих отражений. Эффективность когерентной компенсации
мешающих отражений. Автокомпенсация мешающих отражений. Эффект ”слепых”
скоростей цели и методы борьбы с ним.
2.5. Когерентное и некогерентное накопление сигналов
Когерентное накопление сигнала. Сущность и принцип когерентного
накопления сигнала. Корреляционный способ когерентного накопления сигнала.
Фильтровой способ когерентного накопления сигнала. Эффективность и
характеристики обнаружения когерентного накопления сигнала.
Некогерентное накопление сигнала. Сущность и алгоритм некогерентного
накопления сигнала. Способы некогерентного накопления сигнала. Эффект
некогерентного накопления сигнала в системе ”индикатор-оператор”.
Характеристики обнаружения при некогерентном накоплении сигнала.
2.6. Пространственная и поляризационная обработка сигналов
на фоне помех
Пространственная структура сигналов и помех. Основные характеристики
пространственной структуры излучения. Случайный пространственный сигнал в
дальней зоне источника излучения. Пространственные характеристики
отраженного сигнала, шума, мешающих излучений и отражений на раскрыве
приемной антенны.
Пространственная обработка сигналов на фоне помех. Пространственновременная эквивалентность и принципы пространственной обработки сигнала.
Пространственная
когерентная
компенсация
мешающих
излучений.
Пространственное когерентное накопление сигнала.
Поляризационная обработка сигнала на фоне помех. Поляризационная
структура излученного сигнала. Поляризационная структура принятого сигнала.
Принципы поляризационной обработки сигналов на фоне помех.
2.7. Основы теории распознавания и различения сигналов
Постановка задач распознавания и различения сигналов и методика их
решения. Сущность и основа решения задач распознавания и различения сигналов.
Ансамбли распознаваемых портретов. Ансамбли различаемых сигналов.
Решающее правило.
Оптимальная структура устройств распознавания и различения сигналов.
Структура устройств распознавания портретов. Оптимальная обработка
некоррелированных портретов. Оптимальная обработка сильно коррелированных
портретов. Структура устройств различения сигналов.
7
Характеристики распознавания и различения сигналов. Показатели качества
распознавания портретов и различения сигналов. Характеристики распознавания
некоррелированных
портретов.
Характеристики
распознавания
сильно
коррелированных портретов. Характеристики различения сигналов.
2.8. Основы теории измерения параметров сигналов
Постановка задачи измерения параметров сигнала и методика ее решения.
Сущность, условия решения и критерий оптимальности задачи измерения
параметров сигнала. Классификация измерителей. Уравнение оптимальной оценки,
структура оптимального измерителя.
Дискриминаторы следящих измерителей. Обобщенный оптимальный
дискриминатор.
Обобщенные
квазиоптимальные
дискриминаторы.
Дискриминационная характеристика.
Задающее и возмущающее воздействие измерителей. Эквивалентная
спектральная
плотность
возмущающего
воздействия
оптимального
дискриминатора. Задающее воздействие измерителей.
Фильтрация и экстраполяция задающих воздействий измерителей. Сущность
задач фильтрации и экстраполяции задающих воздействий. Структура и
характеристики фильтров воспроизведения задающих воздействий – фильтров
Винера и Калмана. Фильтрация производных и экстраполяция задающего
воздействия.
Ошибки фильтрации и экстраполяции параметров сигнала. Флуктуационная
ошибка фильтрации параметров сигнала. Динамическая ошибка воспроизведения
задающего воздействия. Ошибки фильтрации скорости и ускорения задающего
воздействия. Ошибки экстраполяции задающего воздействия.
2.9. Методы и средства цифровой и компьютерной обработки сигналов
Операторы пространственно- временного дискретного представления сигналов
и процессов. Теорема проектирования. Алгебраизация уравнений наблюдения.
Точность и вычислительная сложность цифровой обработки сигналов.
Определение цифрового фильтра. Описание работы цифрового фильтра во
временной и спектральной области. Конечно-разностные уравнения, Zпреобразование. Цифровые фильтры с конечной и бесконечной импульсной
характеристикой, их основные характеристики и параметры. Методы синтеза
цифровых фильтров. Весовые окна.
Особенности цифровой когерентной и некогерентной обработки сигналов.
Цифровая обработка во временной и частотной области на конечных интервалах.
Спектральная обработка сигналов с помощью дискретных ортогональных
преобразований. Реализация и использование быстрого преобразования Фурье.
Цифровая обработка сложных радиосигналов с помощью быстрых преобразований
Фурье-Галуа.
Построение цифровых согласованных и оптимальных фильтров радиосигналов
на основе быстрых алгоритмов вычисления свертки. Построение многоканальных
цифровых корреляционных приемников радиосигналов. Цифровые фильтры
воспроизведения задающих воздействий.
8
Оценка параметров сигналов с помощью весовых дискретного преобразования
Фурье, Wavelet преобразований. Методы рекурсивного и нерекурсивного
оценивания. Скалярный и векторный цифровой фильтр Калмана. Цифровой фильтр
Винера. Преобразование Карунена- Лоэва (ПКЛ). Оптимальные дискретные
алгоритмы частотно-фазовых измерений.
Компьютерная обработка информации в РЛС с помощью многомерных
цифровых преобразований.
Кодирование информации как метод повышения эффективности систем
радиолокации и навигации. Принципы контроля, поиска и управления
избыточностью информации. Моделирование марковских последовательностей.
Компьютерные
модели
сообщений–полей.
Формирование
дискретнокодированных сигналов с заданными корреляционными функциями.
3.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
3.1. Источники сообщений
Светотехнические и информационно-статистические характеристики
натурных
изображений.
Представление
изображений
в
плоскости
пространственных частот. Элементы теории дискретизации многомерных
сообщений. Функциональные схемы телевизионных систем дискретизации.
Телевизионные методы дискретизации во временной и пространственной областях.
Роль фильтрации в телевизионных системах дискретизации. Искажения в
телевизионных системах дискретизации. Построение оптического изображения и
его
математические
модели.
Принцип
преобразования
многомерной
пространственно-временной функции оптического изображения в одномерный
электрический сигнал в процессе анализа изображения и обратно при его синтезе.
3.2. Функциональная схема телевизионной системы
Преобразователи свет-сигнал. Типы преобразователей. Основные физические
процессы, используемые в преобразователях свет-сигнал. Устройство
преобразователей свет-сигнал типа видикон и плюмбикон, их основные
характеристики. Твердотельные преобразователи.
3.3. Устройства усиления и преобразования полного видеосигнала
Устройства синхронизации в ТВ системах. Уплотнение сигналов
изображения, синхронизации и гашения. Структура сигнала синхронизации.
Параметры полного ТВ сигнала. Устройства отображения ТВ информации.
Вещательная система черно-белого телевидения. Функциональная схема.
Основные параметры.
Системы цветного ТВ. Основные сведения из колориметрии. Методы
передачи цветных ТВ изображений.
9
Формирование сигналов в композитных системах цветного телевидения
(ЦТВ).
Принципы совместимости. Способы передачи информации о яркости и
цветности изображений. Особенности приемных устройств и устройств
отображения систем цветного телевидения. Принципы уплотнения спектров
сигналов яркости и цветности в композитных системах ЦТВ.
Формирование сигналов в системах телевидения повышенного качества и
высокой четкости.
Перспективы использования цифровой и вычислительной техники в ТВ
системах. Сжатие и кодирование телевизионной информации. Трехмерное
цифровое телевидение.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов.-М.;
Радио и связь, 1986
2. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.- М.: Радио и связь, 1982.
3. Охрименко А.Е. Основы извлечения, обработки и передачи информации
(теория радиосистем), часть 1 ”Обнаружение и временная обработка одиночных
сигналов”. МРТИ, 1994.
4. Охрименко А.Е. Основы извлечения, обработки и передачи информации
(теория радиосистем), часть 2 ”Обнаружение, временная, пространственная и
поляризационная обработка сигналов”. БГУИР, 1994.
5. Охрименко А.Е. ”Основы извлечения, обработки и передачи информации
(теория радиосистем), часть 3 ”Распознавание-различение сигналов”. БГУИР, 1995.
6. Охрименко А.Е. ”Основы извлечения, обработки и передачи информации
(теория радиосистем), часть 4 ”Измерение параметров сигналов”. БГУИР, 1995.
7. Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы. М.: Радио и связь, Высшая
школа, 1990.
8. Лосев В.В. Микропроцессорные устройства обработки информации.
Алгоритмы цифровой обработки: Учебное пособие для вузов.- Мн. Выш. школа,
1990.
9. Телевидение: Учебник для вузов /Под ред. В.Е. Джаконии. – М.: Радио и
связь, 2000.-640с.
10.
Радиоавтоматика
:Учебное
пособие
для
студ.
спец
«Радиотехника»/В.А. Бесекерский, А.А. Елисеев, А.В. Небылов и др.; Под ред. В.А.
Бесекерского. -М.: Высш. шк., 1985.
10
Дополнительная
11.
Охрименко А.Е. Основы обработки и передачи информации. М.:
Воениздат, 1990.
12.
Чердынцев В.А. Радиотехнические системы. Мн.: Вышэйшая школа,
1988.
13.
Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику PTC. M.: Радио и связь, 1986.
14.
Пестряков В.Б., Кузенков В.Д. Радиотехнические системы. М.: Радио и
связь, 1985.
15.
Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. М.:
Воениздат, 1983.
16.
Фалькович С.Е., Пономарев В.И., Шкварко Ю.В. Оптимальный прием
пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием/ Под ред.
С.Е.Фальковичаю-М.: Радио и связь, 1989.
17.
Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с
англ.- М.: Мир, 1989.
18.
Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов.М.: Мир, 1988.
19.
Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применения цифровой обработки
сигналов. – М.: Мир, 1978.
20.
Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации:
Учеб. пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 1992.
21.
Фалькович. С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных
систем.- М.: Радио и связь,1981
22.
Телевизионная техника. В книге: Бытовая радиоэлектронная техника:
Энциклопедический справочник /Под ред. А.П. Ткаченко – Мн.: БелЭн., 1995.832с.
23.
Ткаченко А.П. Цветное телевидение. – Мн.: Беларусь, 1981.-254с.
24.
Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной
аппаратуры: Учебное пособие для вузов/Под ред. С.В. Новаковского.- М.: Радио и
связь, 1994.- 360с.
11