Инженеры усовершенствовали фильтры для космической связи. Рассказываем самое интересное из новой статьи исследователей из МЭИ, Российских космических систем и НПК «СПП», опубликованной в журнале «Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы» (2025, Т. 12, № 1).
В двух словах: о чем вообще речь?
Представьте, что вам нужно поймать очень слабый сигнал из глубин космоса. Чтобы его услышать, нужно отфильтровать все лишние шумы — от космического излучения, помех от земных передатчиков и собственных шумов электроники. Для этого в приёмниках используются специальные электронные устройства, полосовые фильтры. Они работают как очень точный слуховой аппарат, который настраивается на одну-единственную радиостанцию и игнорирует все остальные.
Проблема в том, что в космосе (да и не только) на эти фильтры действуют две разрушительные силы:
- Температура: На солнце детали раскаляются, в тени — замерзают. Их свойства от этого меняются.
- Разброс параметров: не бывает двух абсолютно одинаковых резисторов или конденсаторов. Все они имеют небольшой, но допустимый производственный разброс от номинала.
Из-за этого фильтр «уплывает»: его центральная частота (та самая «радиостанция») смещается, а полоса пропускания (её «чёткость») размывается. Сигнал теряется в шумах.
Инженеры из МЭИ, Российских космических систем и НПК «СПП» провели исследование, чтобы найти способ сделать эти фильтры сверхустойчивыми, и создали собственную разработку.
Суть исследования: сравниваем два подхода
Учёные взяли сложный фильтр Баттерворта 8-го порядка (собранный как этажерка из 4-х более простых блоков) и протестировали его в двух вариантах:
- Обычная схема (без обратной связи): классический, но капризный дизайн.
- Улучшенная схема (с обратной связью): в схему добавили специальные соединения (отрицательная обратная связь), которые работают как система автостабилизации.
Затем они устроили им обеим суровые испытания в компьютерных симуляциях:
Испытание №1: «Отклонения и компромиссы». Имитировали ситуацию, когда все компоненты имеют разброс от идеального номинала до ±10%.
Испытание №2: «От Сахары до Антарктиды». Гнали температуру от леденящих -40°C до палящих +100°C.
Испытание №3: «Всё и сразу». Включили одновременно и разброс деталей, и экстремальные температуры.
Наглядные результаты
Для обычной схемы уже при 10% разбросе деталей центральная частота уплывала на 16%, а полоса пропускания расширялась на 18%. Представьте, что вы настраиваетесь на 100.0 FM, а из-за жары ваш приёмник ловит уже 98.4 — нужная станция еле слышна, зато вовсю фонят соседние. В космосе это означало бы потерю ценных данных.
Для схемы с обратной связью результаты были в разы лучше! Даже в самых жестких условиях центральная частота уплывала максимум на 4%, а чаще всего — меньше чем на 1%. Полоса почти не менялась. Система автоматически подстраивалась и компенсировала все внешние помехи.
Температура сама по себе оказалась не так страшна для обеих схем, но в комбинации с плохими деталями она добивала обычный фильтр, в то время как фильтр с обратной связью держался молодцом.
Почему это важно и где это пригодится?
Вывод статьи показывает: применение обратных связей в многоступенчатых фильтрах радикально повышает их стабильность и надежность.
Это критически важно для:
- Космической связи, чтобы уверенно принимать данные с марсоходов, спутников и зондов.
- Гидроакустики и подводной навигации, где оборудование работает в условиях высокого давления и агрессивной среды.
- Любой высокоточной техники, где важна бесперебойная работа в любых условиях — от медицинского оборудования до систем промышленного интернета вещей (IoT).
Это пример того, как умное перепроектирование схемы позволяет добиться прорыва в надежности. Инженеры не стали бороться с причинами (температурой и браком), а научили устройство самостоятельно компенсировать их последствия. Настоящая инженерная магия!