第2章 測控信號的調(diào)制、解調(diào)與通信鏈路預(yù)算

2023/2/5

哈爾濱工業(yè)大學(xué)

HarbinInstituteofTechnology第1頁二、測控信號的調(diào)制、解調(diào)與通信鏈路預(yù)算

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HarbinInstituteofTechnology2023/2/5第2頁航天測控系統(tǒng)課程回顧航天測控系統(tǒng)：航天測控系統(tǒng)是對航天器飛行軌道、姿態(tài)和其上各分系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤測量、監(jiān)視與控制的技術(shù)系統(tǒng)，用于保障航天器按照預(yù)先設(shè)計好的狀態(tài)飛行與工作，以完成規(guī)定的航天任務(wù)。遙測系統(tǒng)：遙測系統(tǒng)是接收在航天器上進(jìn)行測量與組織收集、經(jīng)下行無線電鏈路傳送來的各種參數(shù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄、處理，以及按要求發(fā)送至相應(yīng)用戶（如飛行控制中心）的系統(tǒng)。

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HarbinInstituteofTechnology2023/2/5第3頁遙控系統(tǒng)：遙控系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生指令信息和注入數(shù)據(jù)的編碼，經(jīng)上行無線電鏈路發(fā)向航天器，按任務(wù)需要對航天器進(jìn)行實(shí)時控制或（和）程序定時控制。測量系統(tǒng)：測量系統(tǒng)的功能是獲取航天器相對測控天線的方向角、距離及徑向速度等位置運(yùn)動參數(shù)，以確定航天器的運(yùn)行軌道，并引導(dǎo)測控天線指向航天器，建立天地?zé)o線電鏈路。

航天測控系統(tǒng)課程回顧2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第4頁航天測控系統(tǒng)按其系統(tǒng)功能組成，可包括跟蹤測軌、遙測、遙控、天-地通信與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控顯示、地-地通信和時間統(tǒng)一等八個主要分系統(tǒng)(系統(tǒng))以及有關(guān)輔助支持系統(tǒng)。包括兩類基本單元：測控站及測控中心航天測控系統(tǒng)課程回顧2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第5頁通信系統(tǒng)的作用，是將產(chǎn)生的信源發(fā)送到一個或多個目的地。通信系統(tǒng)的基本組成包括信源及輸入變換器、發(fā)信機(jī)、信道、接收機(jī)及輸出變換器，發(fā)信機(jī)、信道及接收機(jī)是核心。通信基本組成航天測控系統(tǒng)2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第6頁星地測控?zé)o線信道模型可簡化如下，包括信道衰減和加性噪聲。接收機(jī)接收的信號為無線信道基本模型無線通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第7頁在一個通信系統(tǒng)中，信號源轉(zhuǎn)換的原始電信號一般為低頻信號，不宜在絕大多數(shù)無線信道中直接傳輸，因此需要進(jìn)行調(diào)制及相應(yīng)的解調(diào)。

調(diào)制的必要性：

（1）獲得有用的，適于信道傳輸?shù)男盘栃问剑?/p>

（2）有效利用頻段；

（3）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波

（4）拓展發(fā)送信號傳輸帶寬，提高抗噪聲性能。發(fā)信機(jī)及接收機(jī)的調(diào)制與解調(diào)無線通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第8頁調(diào)制和解調(diào)的實(shí)質(zhì)是頻譜的搬移，其使命是傳遞消息。確切地說，調(diào)制過程就是按照原始電信號或基帶信號的變化規(guī)律去改變信號某些參數(shù)的過程。

原始電信號稱為調(diào)制信號；被調(diào)制的高頻信號起運(yùn)載原始電信號的作用，稱為載波；調(diào)制后所得到的參數(shù)隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為已調(diào)信號。通常，載波信號選用余弦信號表示。調(diào)制基本概念無線通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第9頁調(diào)制信號按照調(diào)制信號的形式分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。其中，模擬調(diào)制主要包括振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制，數(shù)字調(diào)制主要包括幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。調(diào)制基本理論調(diào)制方式分類2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第10頁1.1模擬信號調(diào)制與解調(diào)2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第11頁任何周期函數(shù)，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。傅立葉變換頻譜的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第12頁時域與頻域的關(guān)系。傅立葉變換頻譜的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第13頁

傅立葉變換：表示能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦和/或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合。傅立葉變換及頻譜定義

頻譜就是頻率的分布曲線，復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。頻譜的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第14頁

信號的帶寬：是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍，通常用W表示。

低通信號：時，

帶通信號：時，幾個基本概念頻譜的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第15頁從海平面60km到大氣層外緣，由于太陽紫外線、微粒流、宇宙射線等作用，部分大氣分子被電離，這樣的大氣層被稱為電離層。對電磁波產(chǎn)生折射、反射、散射、吸收、色散和法拉第旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致電波延時和信號衰落。電離層近地空間環(huán)境知識回顧2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第16頁在一個通信系統(tǒng)中，信號源轉(zhuǎn)換的原始電信號一般為低頻信號，不宜在絕大多數(shù)無線信道中直接傳輸，因此需要進(jìn)行調(diào)制及相應(yīng)的解調(diào)。

調(diào)制的必要性：

（1）獲得有用的，適于信道傳輸?shù)男盘栃问剑?/p>

（2）有效利用頻段；

（3）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波（4）拓展發(fā)送信號傳輸帶寬，提高抗噪聲性能。發(fā)信機(jī)及接收機(jī)的調(diào)制與解調(diào)無線通信知識回顧2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第17頁調(diào)制和解調(diào)的實(shí)質(zhì)是頻譜的搬移，其使命是傳遞消息。確切地說，調(diào)制過程就是按照原始電信號或基帶信號的變化規(guī)律去改變信號某些參數(shù)的過程。

原始電信號稱為調(diào)制信號；被調(diào)制的高頻信號起運(yùn)載原始電信號的作用，稱為載波；調(diào)制后所得到的參數(shù)隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為已調(diào)信號。通常，載波信號選用余弦信號表示。調(diào)制基本概念無線通信知識回顧2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第18頁將消息信號m(t)調(diào)制在載波c(t)的振幅上的調(diào)制方式為振幅調(diào)制（AM）。

有幾種不同的調(diào)制方式：

（1）常規(guī)雙邊帶AM（2）雙邊帶抑制載波AM（3）單邊帶AM（4）殘留單邊帶AM振幅調(diào)制（AM）幾種模擬調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第19頁常規(guī)雙邊帶AM是將消息信號m(t)加上直流分量后直接與載波信號相乘獲得的。

常規(guī)雙邊帶AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第20頁頻譜上相當(dāng)于雙邊帶抑制載波AM加上沖擊信號。

常規(guī)雙邊帶AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第21頁常規(guī)雙邊帶AM的優(yōu)點(diǎn)是解調(diào)方法比較簡單，可通過包絡(luò)檢測方法實(shí)現(xiàn)。常規(guī)雙邊帶AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第22頁雙邊帶抑制載波AM是將消息信號m(t)直接與載波信號相乘獲得的。

雙邊帶抑制載波AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第23頁消息信號m(t)直接搬移了fc。

雙邊帶抑制載波AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第24頁雙邊帶抑制載波AM的解調(diào)可通過相干解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生本地信號可通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，乘法器通過非線性器件實(shí)現(xiàn)。

雙邊帶抑制載波AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第25頁單邊帶AM的是在雙邊帶抑制載波AM的基礎(chǔ)上增加單邊帶通濾波器實(shí)現(xiàn)的。

單邊帶AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第26頁單邊帶AM的頻譜特性為頻譜進(jìn)行濾波后的搬移，節(jié)省功率。單邊帶AM振幅調(diào)制（AM）解調(diào)方式與雙邊帶抑制載波AM相似。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第27頁單邊帶AM對便帶濾波器的頻率響應(yīng)要求比較苛刻。若允許一部分不想要的邊帶出現(xiàn)在調(diào)制器輸出端，則簡化濾波器的設(shè)計，所產(chǎn)生的信號為殘留邊帶AM信號。解調(diào)方式與雙邊帶抑制載波AM相似。殘留邊帶AM振幅調(diào)制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第28頁將消息信號m(t)調(diào)制在載波c(t)的頻率上的調(diào)制方式為頻率調(diào)制（FM），調(diào)制在相位上的調(diào)制方式為相位調(diào)制（PM），兩種調(diào)制方式均為角度調(diào)制，角度調(diào)制信號的一般表達(dá)式為角度調(diào)制（FM、PM）幾種模擬調(diào)制其中，A為載波恒定振幅；

信號的瞬時相位

瞬時角速率（頻率）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第29頁瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號呈比例變化頻率調(diào)制FM角度調(diào)制其中，Kf為調(diào)頻靈敏度；此時，相位偏移為可得到FM信號的表達(dá)式為2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第30頁瞬時相位偏移隨調(diào)制信號呈比例變化相位調(diào)制PM其中，Kp為調(diào)相靈敏度；表示單位調(diào)制信號幅度引起PM信號的相位偏移量可得到PM信號的表達(dá)式為角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第31頁由FM可PM的表達(dá)式可看出其對應(yīng)關(guān)系FM和PM的關(guān)系角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第32頁調(diào)制信號為單一頻率的正弦波單音調(diào)制FM、PM當(dāng)進(jìn)行頻率調(diào)制時，則可得到已調(diào)信號的表達(dá)式為其中為調(diào)頻指數(shù)，表示最大相位偏移，表示最大頻偏角。角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第33頁調(diào)制信號為單一頻率的正弦波單音調(diào)制FM、PM當(dāng)進(jìn)行相位調(diào)制時，則可得到已調(diào)信號的表達(dá)式為其中，為調(diào)相指數(shù)，表示最大的相位偏移。角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第34頁

單音調(diào)制FM信號和PM信號的波形單音調(diào)制FM、PM波形角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第35頁

在一個角度調(diào)制系統(tǒng)中，滿足條件：對于所有的t，，其中或則該角度調(diào)制為窄帶角度調(diào)制。窄帶調(diào)角信號角度調(diào)制

與常規(guī)AM調(diào)制形式類似，帶寬與AM調(diào)制相同。與常規(guī)AM調(diào)制相比，沒有提供任何噪聲性能的改善，很少直接用于通信，但可以作為寬帶角度已調(diào)信號的中間階段使用。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第36頁

單音調(diào)頻信號的表達(dá)式可統(tǒng)一為寬帶調(diào)頻角度調(diào)制

利用三角公式展開，有

將兩個因子進(jìn)行傅立葉展開，有

其中，為第一類n階貝塞爾函數(shù)。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第37頁貝塞爾函數(shù)曲線如下圖所示。寬帶調(diào)頻角度調(diào)制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第38頁

利用貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)寬帶調(diào)頻角度調(diào)制

將調(diào)頻信號展開，得到2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第39頁

將上式進(jìn)行傅立葉變換，得到寬帶調(diào)頻角度調(diào)制

由上式可見，調(diào)頻信號的頻譜由載波分量和無數(shù)邊頻組成；n=0時為載波分量，其他為對稱分布在載波兩側(cè)的邊頻分量，間隔為ωm；當(dāng)n為奇數(shù)時，上下邊頻極性相反，偶數(shù)時相同；FM信號頻譜不是調(diào)制信號的線性搬移，而是非線性過程。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第40頁調(diào)頻信號的帶寬角度調(diào)制理論上調(diào)頻信號的帶寬為無限寬；實(shí)際上邊頻幅度隨著n的增加逐漸減小，因此調(diào)頻信號可近似認(rèn)為具有有限頻譜。

通常采用原則是信號頻帶寬度應(yīng)包括幅度大于未調(diào)載波10%以上的邊頻分量，當(dāng)β>1時，取n=β+1即可。

被保留的上下邊頻數(shù)共有2n個，相鄰邊頻之間的頻率間隔為ωm，有效帶寬為202