Системотехника. Проектирование радиотехнических систем

А.М. ГОЛИКОВ

СИСТЕМОТЕХНИКА.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие Курс лекций, компьютерный практикум, компьютерные

лабораторные работы, задание на самостоятельную работу

Томск 2018

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

А.М. ГОЛИКОВ

СИСТЕМОТЕХНИКА.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие Курс лекций, компьютерный практикум, компьютерные

лабораторные работы, задание на самостоятельную работу

Томск 2018

2

Голиков А.М.

Системотехника. Проектирование радиотехнических систем. Учебное пособие: Курс лекций, компьютерый практикум, компьютерные лабораторные работы и задание на самостоятельную работу /А.М.Голиков. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и

радиоэлектроники, 2018. – 543 с

Учебное пособие предназначено для подготовки специалистов: 11.05.01

Радиоэлектронные системы и комплексы. Специализации: Радиолокационные системы и

комплексы, Радиоэлектронные системы передачи информации,

Радиоэлектронные системы космических комплексов. Для магистратуры: 11.04.01 -

Радиотехника (Радиотехнические системы и комплексы). Для магистратуры: 12.04.03 -

Фотоника и оптоинформатика (Фотоника	волноводных, нелинейных и
периодических структур).

Современные учебные курсы редко рассматривают комплексно вопросы системотехники и проектирования больших радиотехнических систем. Мало учебников и для исследования компьютерных моделей современных систем. Актуальность пособия велика, так как в современных радиотехнических системах применяются все более сложные технические решения, обеспечивающие их высокую эффективность.

Курс системотехника также призван научить будущих специалистов и магистров основам выполнения НИОКР, рассмотреть этапы проектирования, требуемую техническую документацию для их выполнения.

3

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................		.. 5
1.	ОСНОВЫ СИСТЕМОТЕХНИКИ И СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА............................	6
2.	КРИТЕРИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ................	30
3.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ............................	79
4.	ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ .............................................	169
5.	КОМПЬЮТЕРНЫЙ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
	ПО СИСТЕМОТЕХНИКЕ .......................................................................................	210
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................		420
ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................................		421
ПРИЛОЖЕНИЕ А: ЗАДАНИЕ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ.................		426
ПРИЛОЖЕНИЕ Б: ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ. НИОКР РТС................................................................................................		444

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для подготовки специалистов: 11.05.01

Радиоэлектронные системы и комплексы. Специализации: Радиолокационные системы и

комплексы, Радиоэлектронные системы передачи информации,

Радиоэлектронные системы космических комплексов. Для магистратуры: 11.04.01 -

Радиотехника (Радиотехнические системы и комплексы). Для магистратуры: 12.04.03 -

Фотоника и оптоинформатика (Фотоника волноводных, нелинейных и

периодических структур). может быть полезна специалитету 25.05.03 Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования и магистратуре 11.04.02

Инфокоммуникационные технологии и системы связи.

Современные учебные курсы редко рассматривают комплексно вопросы системотехники и проектирования больших радиотехнических систем. Мало учебников и для исследования комьютерных моделей современных систем. Актуальность пособия велика, так как в современных радиотехнических системах применяются все более сложные технические решения, обеспечивающие их высокую эффективность.

Курс системотехника также призван научить будущих специалистов и магистров основам выполнения НИОКР, рассмотреть этапы проектирования, требуемую техническую документацию для их выполнения.

История развития системных представлений первоначально шла по нескольким отдельным направлениям. Большой вклад в осознание системности материи и человеческого познания внесла философия — «наука наук», выполняющая роль интеграции, организации взаимосвязей и взаимодействия между различными научными направлениями. Результаты философии относятся к множеству всех существующих и мыслимых систем, носят всеобщий характер.

5

1. ОСНОВЫ СИСТЕМОТЕХНИКИ И СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

Массовое усвоение системных понятий началось в 1948 г., когда американский математик Норберт Винер опубликовал книгу «Кибернетика» [1]. Н. Винер крупно продвинулся в формализации процессов управления в больших технических системах,

созданных на принципах поведения живых организмов. Впоследствии многие подходы и методы кибернетики были перенесены на управление организационными системами. Бла-

годаря кибернетике в системном анализе сформировались следующие подходы: типизация моделей систем; формализация процессов управления; информационное моделирование и вычислительные эксперименты; оптимизация процессов и систем.

Рис. 1.1. Основные направления системных исследований

Исследование операций возникло в связи с задачами военного характера, однако в дальнейшем получило широкое распространение в экономических задачах, при решении проблем организации производства и управления предприятиями. Это направление широко использует математический аппарат, в частности, методы оптимизации,

математического программирования и математической статистики. Наиболее хорошо раз-

работаны модели и алгоритмы для следующих классов задач исследования операций:

управление запасами, массовое обслуживание, выбор маршрута, упорядочение и координация, принятие решений в условиях противодействия [2].

Термин системотехника появился как эквивалент английского System Engineering при переводе книги Г. Гуда и Р. Макола [3]. Развитию этого направления в нашей стране активно способствовал Темников Ф.Е., организовавший в 1969 г. кафедру системотехники в Московском энергетическом институте. Объектом системотехники являются сложные

6

технические комплексы, называемые также системами «человек - машина»,

интегрированными системами, большими системами, системотехническими комплексами.

Целью исследований являются методы создания, совершенствования и использования сложных технических комплексов [4].

Системология (термин предложен в 1965 г. И.Б. Новиком) создавалась как одно из направлений теории систем, ориентированное на применение системного подхода в разных сферах человеческой деятельности. Некоторые исследователи используют термин

«системология» как аналог «системного анализа», однако фактически сложилось так, что большинство работ по системологии рассматривают онтологические, семиотические и лингвистические аспекты системного подхода (например, работы Мельникова [5], Дж.

Клира [6]).

Наиболее конструктивным из направлений системных исследований в настоящее время считается системный анализ. В центре внимания этой научной дисциплины находятся методы ликвидации сложных проблем в условиях неполноты информации,

ограниченности ресурсов, дефицита времени [2]. Имея в качестве цели ликвидацию проблемы или, как минимум, выяснение причин её возникновения, системный анализ привлекает для этого широкий спектр средств различных наук, а также эвристические методы решения слабо структурированных и не полностью формализованных задач. Его теоретической основой является материалистическая диалектика (в [2] системный анализ определяется как прикладная диалектика), общая теория систем и кибернетика. С

практической точки зрения системный анализ есть система методов исследования или проектирования сложных систем для ликвидации проблемных ситуаций. Наиболее известные ученые, развивающие это направление, — С. Оптнер, Ю.И. Черняк, Д.

Клиланд, В. Кинг, Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко, В.Н. Волкова и др.

Систему знаний, включаемых в дисциплину «Теория систем и системный анализ»,

можно представить в виде пирамиды (рис.1.2), уровни которой расположены таким

7

образом, что чем выше уровень, тем более прикладной, характер носятего составляющие

.

Рис. 1.2. Уровни знаний, составляющих дисциплину «Теория систем и системный анализ»

Основание пирамиды составляют основополагающие понятия теории систем и системного анализа, свойства и закономерности строения, функционирования и развития систем, изложению которых посвящен первый раздел данного пособия. Также в разделе даются основы информационного подхода к анализу систем, приводится их классификация. На втором уровне расположены основные методы и модели теории систем и системного анализа. Их описание приводится во втором разделе. Все приводимые методы и модели сгруппированы в соответствии с тремя базовыми моделями систем — моделью черного ящика, моделью состава и моделью структуры — отражающими три подхода к рассмотре-нию системы. Модель черного ящика рассматривает систему как целостный объект, описываемый набором свойств. Основными вопросами, связанными с построением подобных моделей, являются вопросы выбора шкалы измерения/оценки свойств системы, способа измерения в условиях определенности и неопределенности, методов обработки результатов измерений. Модель состава рассматривает систему как совокупность частей (подсистем, элементов). Для формирования такого рода моделей применяются методы декомпозиции — последовательного расчленения системы на все более мелкие части с использованием различных оснований декомпозиции, а также методы композиции, использующие комбинаторный подход к формированию подсистем. В модели структуры системы акцент переносится на отношения между частями системы. Методы формирования таких моделей зависят от типа отношений, включаемых в модель. Так, различия между такими видами иерархий, как страты, слои, эшелоны и классы, определяют-ся, прежде всего,

используемыми отношениями. Третий уровень знаний, включаемых в дисциплину, пред-

8

ставлен методологиями системного анализа. Их назначение — разрешение сложных многофакторных проблем посредством приложения теории систем. Методология фиксирует содержание и последовательность действий по принятию и реализации решений, устраняющих проблему. Базовая методология системного анализа представлена в виде так называемой системной последовательности этапов принятия решений. Выбор конкретных моделей и методов, используемых на том или ином этапе, остается за системным аналитиком. Большинство методов предполагает выявление мнений экспертов и требует выполнения сложных экспертиз.

Базовая методология является отправной точкой для создания различных прикладных методологий системного анализа, в основу каждой из которых положена та или иная методология моделирования. Выделяют две основные группы прикладных методологий:

структурный анализ и логический анализ. В центре внимания первой находится структурная модель исследуемой системы, представленная в виде иерархии подсистем,

связанных отношениями «часть-целое». Вторая группа базируется на моделях,

связывающих цели со средствами их достижения. Как правило, такие модели тоже представляют собой иерархии, но построены они на основе причинно-следственных связей. Базовая методология системного анализа, методы организации экспертиз, а также ряд методологий структурного и логического анализа приведены в третьем разделе.

Верхний уровень компонентов теории систем и систем-ного анализа составляют технологии проведения системного анализа. Их рассмотрению посвящен четвертый раздел. Технологии отличаются от методологий более четкой организацией процесса системного анализа, наличием конкретных рекомендаций относительно последовательности этапов анализа, состава работ и используемых процедур, методов и моделей. Кроме того, как правило, технологии предполагают использование компьютерных инструментальных систем поддержки. Большинство существующих системных технологий являются специализированными, ориентированными на конкретные виды систем, например, CASE-технологии разработки информационных систем, технологии реинжиниринга бизнес-процессов, САПР-технологии разработки технических систем. Универсальной, ориентированной на широкий класс систем, можно считать объектно-ориентированную технологию системного анализа. В пятом разделе

рассматриваются примеры применения описанных в предыдущих разделах принципов,

методов, моделей, методологий и технологий для решения сложных задач в таких областях, как экономический анализ, проектирование и развитие систем организационного управления, анализ информационных ресурсов

9

В процессе своей жизнедеятельности системы проходят определенные этапы — становление, расцвет, упадок. Последовательность этапов от возникновения до распада системы называется жизненным циклом (ЖЦ). Поведение системы (траектория движения в пространстве состояний) на разных этапах различно. На рис. 3 приведен пример траектории в пространстве, задаваемом интегральным параметром

«эффективность». Этапы жизненного цикла следуют в строгой последовательности и характеризуются определенными предсказуемыми состояниями.

Рис. 1.3. Жизненный цикл системы Для различных видов систем выделяют различные типовые этапы жизненного цикла.

Например, для информационных систем, как правило, выделяют такие этапы жизненного цикла, как анализ требований, проектирование, реализация, компоновка, тестирование,

эксплуатация. В менеджменте есть понятие жизненного цикла изделия, включающего этапы: исследований и разработок, внедрения на рынок, расширения рынка, зрелости,

насыщения рынка, вытеснения с рынка и реализации остатков готовой продукции. Для социально-эко-номических систем (организаций) выделяют этапы предпринимательства,

формализации управления, выработки струк-туры, упадка. Прохождение системами определенных стадий развития называется закономерностью историчности.

Руководителям организаций и проектов, конструкторам информационных и технических систем следует учитывать данную закономер-ность, так как это помогает правильно выбрать стратегию управления. Устойчивость, развитие. Состояние системы в каждый момент времени зависит от предыдущего состояния, а также от внутренних и внешних взаимодействий. При этом взаимодействия могут быть непредсказуемыми,

неопределенными. Они называются возмущениями или возмущающими возействиями.

Классификация моделей. Классификация моделей осуществляется по разным признакам. Некоторые из классификаций моделей приведены на рис. 4. По тому, что отражают модели — уже существующие объекты или объекты, которые должны быть осуществлены (или которые желательно осуществить), — их можно разделить на

10