第2章测控信号和信道设计 本章主要介绍测控信号和信道设计的有关内容。先从—般性的角度介绍航天测控信 号设计和载波频率选择的原则,这是信道设讨的内容;然后介绐常川的測控基带信号 从一般理论上分析基带信号对载波的调角,并具体分析N个正弦与M个方波副载波对 载波的调角信号,这种信号具有代表性;最后专门介绍一下数字信号对副载波的调制, 这种信号在遥测、遥控系统中是常用的。这些信号的时域、频域特性,以发分析问题的 方法是本章的重点、从分析测挖信号入手有助于了解测控系统的工作厨理。 21引言 、測控系统中常用的信号及调制方式 测控系统是一个综合性的复杂系统,它出许多分系统组成。系统的主要功能是跟踪 测量、遥測、邏控、通信数传及数据处理等,为了完成这些不同的功能,需采用各种不 同的信号及不同的调制方式 在跟踪测量分系统屮,常用的测距信号是正弦(側音)信号、伪随机码(码)信号或 是侧音和伪码的混合信号,信号的调制是采用载波调相体制。 冇遥测分系统中,通常将信息信号变换成脉冲编码信号(PCM信号);然后用PCM 倌号对副毂波进行调相,此过程称为“移桕键控”(PSK),于是得到 PCM-PSK信与:再 用 PCM-PSK信号对载波进行调相、得到 PCM-PSK-PM信号。这种调制方式的组合称 为 PCM-PSK-PM调制。 饣遥控分系统中、常采用遥控编码信号先对载波调频,得移频键控信号(FSK信 弓),然后再用FSK信号对载波调相,这种调制方式称为 PCM-FSK-PM调制。 在统一载波測控系统中,许多种信号对统一的载波同时调相或调频。这些基带信号 为测距信号、遥控编码信号、话音信号等,其中测距信号是直接对载波调相、其他信号 都是先对各自的副载波调制(调相或调頻),然后再共同太对我波调相。各种信号对各白 的副载波调制的目的是便于信道的频率区分。接收系统收到这种复杂的调制信号后、首 先对载波解调,再经各副载波滤波器将各信道的信号区分开来,最后由各信道的副载波 解调器对副载波解调后得到各自的调制信号 测控系统对信号调制的要求 测挖系统对信号调制的要求可归纳为以下几点: (1)测控系统中基带信号(低通信号)对载波的调制采用调角体制(即调相和调频),尤 其对调相体制感兴趣,其原因如下:
付原始信息进行变换 (4)在原始信息屮增设地址码或其它辅助信息吋,有时也要收变原始息的形式 2.多重调制对基带信号的影响 当几种基带信号合并成一个复合基带信号时,如每种基带信号先对各白的载波 行调制,然后各副载波再组合成一个信号,并再用此信号对射频载波调制时,这和多币 调制的基带信号可有以下几种调制方式。 (1)频率区分调制; (2)时间区分调制 (3)在频率一时间平面重叠区域内的止交剧载波调制 (4)某些特殊方法,例如调频中的“功率区分”调制。 在统一测控系统中,采用较多的是频率风分调制(频分制)。 3.保密和抗干扰措施对基带信号的影响 附加的保密和抗干扰措施也会对基带信号结构产生影响。例如为了保密,可将有关 信息与伪随机码(PN码)进行模2加、形成一种难以识别的信号。 、副载波组合方式的选择 劑载波频率选择,主要取决于组合十扰计算。这甲只对副载波调制组合力式选择作 些简介绍。应当指出,微波统一测控系统副载频的组合,受测距信号选择的影响很人 出厂测距信号捫式比较复杂,在不同条件下,信号型式差异较大,凡精度婆求.所以 要先确定岀测距信号型式(频率及调制方式),然后再安排其它副载波 测距信号的选择 对以迕续波方式工作的微波统一测控系统,测距信号有三种型式:纯例音测距信 纯二进制的随机码测距信号(以下简称全码系统)及混合測距信(即側音加二进制伪随 机码的测距信号)。这三种型式的测距信号性能比较如表2.所示。 表21三种测距信号型式的比较 纯侧首测距 全码测距 混合测距 信号型式 信号型式 传号型式 信号型式 抗十扰能力 保密性 距离分辨度 差好 差 解距离模糊能力 副载波调制的灵活性 三者均相同 近距离、SN 捕获时间大的情况下 短 长 距离情况下 者相近 系统定标的难易 三者相同 设备复杂程度 者和同 使用和维护要求 铰简单 较复杂 自动操作的适应性 差 所需研制经费 三者相同 副载波调鬧的灵活性几种飖教波是膂可冋时调到-个皲波上·及多诂工作的相容怍
卜表比铰的结论只适合于一般情况,对于某些特姝情况圳例外。由表2.!比较结果 不难看出: (1)当要求距离分辨率高、获吋间短、能提供给测距信号的带宽有限时、采用纯 侧首系统比全码系统要好; (2)当用于深空测距时(如超过月球距离),为了很好地解决测距模糊度间题,最好 采用全码系统; (3)当带宽受到限制时,采用纯侧音系统比采用全码系统更灵活; (4)当要求保密性好且抗干扰能力强时、采用全码系统比较合适; (5)“伪码+侧音”的混合測距系统,可以同时兼有纯侧音和全码系统的主要优 特刎遹用于跟踪中等轨道至月球轨道的空间飞行目标,以及复杂的飞行任务的各个阶 段一-包括近地和深空操作 2.副载波频率及调制方式的选择 根据表2、}的比较结果及使用要求,可初步确定系统应当选用的测距信号型式,然 后再从以下几个方面去选择其它副载波的信号组合方式(频率与调制方式) (1)应力求基带信号本身及其调制方法简单 (2)应力求基带信号频谐线集中(即所占带宽越小越好) (3)应考虑到各副载波不同周制方法所占用的带宽及功率效率; 必,(4)从信息有效传输的角度出发,副载波频率不应选择太高,以利F压缩中放信息 令(5)各副载波的组合十扰应尽可能不落入各副载波的信息带宽内,为了保讯溅距精 备副载波的组合于扰频率不应落入高侧音窄带跟踪环的带宽内; (6)对亍移颎键控(FSK)和移相键控(PSK)副载波信道,必须保证所选刷毂波频序和 尾带信号的码速率保持相干并成整数倍的关系,以利」相干解调; (7)为适应不同型号的飞行器的带宽要求并考虑不同信息路数和数据量、应允诈的 载波适当变动,以便对各种不同型号的要求作最佳安排; (8)为了防止应答机毂波环和接收机载波环的错锁(锁到副载波频率!),在可能的 条件下副载波频率应尽可能远离载波频率(参看第五常) (9)为了防止火焰衰减,副毂波频率应安排在离载波5~10kHz内 (10)应尽量利用业已研制成或市场上已能提供的设备。 三、射频信号的设计 所谓射频信号设计主要是指载波调制的选择。在无线电测控设备中,载波调制方式 叮分为三种,即调幅(AM)、调频(FM)和调(PM)。调幅属于线性调制,它的优点是占 川带宽小(B=2m,其中B为射频带宽,为调幅信号频率,而缺点是功率利用效率很 低。此外,乂因所产生的波形常常具有较人峰值因数,枚整个系统需要对信号进行线性 处理;功率放大器必须工作于低电平,以使输入饱利影响减至最小,且不能采用效率较 的的非线性功幸放大器;问时在信总流程中,、任何部件的非线性都将引起牛扰,而线性 调制对噪声和干扰的敏感性也狡大,閃此,一般认为线性调制是不适宜传递跟踪信号的
啁频与调相都属于指数调制、它们之间的异同可归纳如下 1.调相与调频的共同特点 (1)调制指数相岡时,带宽也相呵(B,=f叭m+1),m为调制度,∫灬为调幅或调相 的信号频率) (2)抗τ扰性与抗白噪}锚能力相同; (3)都易于采用负反馈技术以实现最佳解调。 2.调相与调频的区别 (1)调相解调门限比调频低,如调相采用线性相干解调门限可达-15dB,伪码中 频相关解调门限可达-25~-30dB,而调频解调门限一般为+10dB (2)调相作方式不会影响主振荡器的高稳定度、故可使载波测速精度较高 (3)调相受火箭尾部火焰T扰比调频时大。 由此可见,在高精度跟踪洲量系统中采用调相方式是比较合适的;但某些用系统, 如用于火箭主动阶段的遥控系统,为避免火焰下扰,其载泼也可采用调频方式、此外 在国际通信卫星的中精度测控系统中,也可采用调频体制 3.选择載波调制方式的原则 (1)应使系统简单可靠; (2)提高有效功率的利用率,即应使发射信号中有用的功率最大,并使功率放人器 的效率尽量高 (3)应最有效地利用带宽,即尽可能地减少噪声带宽以及提高频谱的利用效率 (4)应考虑到多载波作时,测控载波与其它载波(如电视、多载波遥测等的相容 (5)应考虑到使系统具有足够的抗干扰能力 四、载波頻率的选择 1.上、下行频率的选择 :.下行频率的选择是通信设计中的一个重要问题,它需要考虑以下素 (1)符合国际、内频段的划分准则 (2)电波的传播特性,通过大气层的哀减、折射性能及穿透等离子区的能力等; (3)现有器件和仪器设备的条件; (4)远近结合,既保证眼前使用,又能适应将来发展的需要; 5)有继承性,能继承现有设备和技术 (6)考虑到系统的测量和信息谷量,希望载频选得高一些; (7)避免和其它电了设备产生相互干扰 2.转发比的选择 (1)满足上:、下行载波频率范围 (2)考虑到应答机易于制作 (3)上、下行载频差与上、下行频率不能成为整数倍关系,以免十扰 (4)使相参体制和市相参体制的设备具有兼容性
3.波道间隔的诙择 (1)渐足系统对频率点数的要求; (2)收、发信机和应答机电路便于制作和实现; (3)非相参和相参体制的兼容性。 4.非相参休制的主副载波选择 (1)考忠非相参和相参体制的兼容性,应使主副载波频率为上行波道间隔的整数倍; 2)为了使应笞机易实现霓带调剝和地面接收机易于实现宽带解调,输亼到各解 调器的主副载波频率不宜选得太高 (3)在应答机调相过程和地而接收机解调过程中,各个副较波解词所产的「扰、 测控系统的影响应尽量小 (4)为了减小各信道之间串路和得到好的信道滤波器相移时延)特性,希望各主副 毂波间隔尽可能宽 综上所述,微波统一测控系统信号设计的一般过程如图2.!所示。 由图可知舀先需根据被设计系统的性能指标及使用要求,确定出合理的测距信号型 式、调制方式与频率,同时进行各种基带信号型式的选择(它们之间有密切关系)、然后 阿根据上面提到的原则去考虑其它副载波及调制方式的选择,最后是载波调制力式的选 择 测距信号与 调制方式选择 使用要求 副载波组合写 射颊调制 系统指标 调制方式选择 方八选择 普结钩 各分系统基 带信号选择 图2.}徼波统一测控系统信号设计的一般过程 在信号设讨过程中,频谱图是个很有用的工具,不同的信号组合在频著图上可一 了然 23测控基带信号 测挖系统中常用的基带信号有测距信号、编码数字信号(PCM)、话音信与以及电视 号等,其中测距信号又包含侧音和伪随机码信号。↑节对这些基带信号给予简单介绍 片说明这些基带信号的频域特性