1、2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 1 頁 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology2022-6-13第 2 頁航天測控系統航天測控系統 課程回顧課程回顧 航天測控系統：航天測控系統：航天測控系統是對航天器飛行軌航天測控系統是對航天器飛行軌道、姿態和其上各分系統工作狀態進行跟蹤測量、道、姿態和其上各分系統工作狀態進行跟蹤測量、監視與控制的技術系統，用于保障航天器按照預先監視與控制的技術系統，用于保障航天器按照預先設計好的狀態飛行與工作，以完成規定的航天任務。設計好的狀態飛行與工作，以完成規定的航

2、天任務。 遙測系統：遙測系統：遙測系統是接收在航天器上進行測量遙測系統是接收在航天器上進行測量與組織收集、經下行無線電鏈路傳送來的各種參數與組織收集、經下行無線電鏈路傳送來的各種參數數據并進行記錄、處理，以及按要求發送至相應用數據并進行記錄、處理，以及按要求發送至相應用戶（如飛行控制中心）的系統。戶（如飛行控制中心）的系統。 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology2022-6-13第 3 頁 遙控系統：遙控系統：遙控系統的功能是產生指令信息和注遙控系統的功能是產生指令信息和注入數據的編碼，經上行無線電鏈路發向航天器，按入數據的編碼，經上行無線電鏈路發向航天

3、器，按任務需要對航天器進行實時控制或（和）程序定時任務需要對航天器進行實時控制或（和）程序定時控制。控制。 測量系統：測量系統：測量系統的功能是獲取航天器相對測測量系統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動參數，控天線的方向角、距離及徑向速度等位置運動參數，以確定航天器的運行軌道，并引導測控天線指向航以確定航天器的運行軌道，并引導測控天線指向航天器，建立天地無線電鏈路。天器，建立天地無線電鏈路。 航天測控系統航天測控系統 課程回顧課程回顧2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 4 頁 航天測控系統按其航天測控

4、系統按其系統功能組成，可包括系統功能組成，可包括跟蹤測軌、遙測、遙控、跟蹤測軌、遙測、遙控、天天-地通信與數據傳輸、地通信與數據傳輸、數據處理、監控顯示、數據處理、監控顯示、地地-地通信和時間統一等地通信和時間統一等八個主要分系統八個主要分系統(系統系統)以以及有關輔助支持系統。及有關輔助支持系統。 包括兩類基本單元：包括兩類基本單元：測控站及測控中心測控站及測控中心航天測控系統航天測控系統 課程回顧課程回顧2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 5 頁 通信系統的作用，是將產生的信源發送到一個或多通信系統的作用，是將產生的信源發送到

5、一個或多個目的地。通信系統的基本組成包括信源及輸入變換器、個目的地。通信系統的基本組成包括信源及輸入變換器、發信機、信道、接收機及輸出變換器，發信機、信道及發信機、信道、接收機及輸出變換器，發信機、信道及接收機是核心。接收機是核心。通信基本組成航天測控系統航天測控系統2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 6 頁 星地測控無線信道模型可簡化如下，包括信道衰減星地測控無線信道模型可簡化如下，包括信道衰減和加性噪聲。接收機接收的信號為和加性噪聲。接收機接收的信號為無線信道基本模型無線通信無線通信( )( )( )r ta s tn t20

6、22-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 7 頁 在一個通信系統中，信號源轉換的原始電信號一般在一個通信系統中，信號源轉換的原始電信號一般為低頻信號，不宜在絕大多數無線信道中直接傳輸，因為低頻信號，不宜在絕大多數無線信道中直接傳輸，因此需要進行調制及相應的解調。此需要進行調制及相應的解調。 調制的必要性：調制的必要性： （1）獲得有用的，適于信道傳輸的信號形式；）獲得有用的，適于信道傳輸的信號形式； （2）有效利用頻段；）有效利用頻段； （3）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波 （4）拓展發送信號傳輸帶寬，提

7、高抗噪聲性能。）拓展發送信號傳輸帶寬，提高抗噪聲性能。發信機及接收機的調制與解調無線通信無線通信2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 8 頁 調制和解調的實質是頻譜的搬移，其使命是傳遞消調制和解調的實質是頻譜的搬移，其使命是傳遞消息。確切地說，調制過程就是按照原始電信號或基帶信息。確切地說，調制過程就是按照原始電信號或基帶信號的變化規律去改變信號某些參數的過程。號的變化規律去改變信號某些參數的過程。 原始電信號稱為原始電信號稱為調制信號調制信號；被調制的高頻信號起運；被調制的高頻信號起運載原始電信號的作用，稱為載原始電信號的作用，稱

8、為載波載波；調制后所得到的參數；調制后所得到的參數隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為已調信號已調信號。通常，。通常，載波信號選用余弦信號表示。載波信號選用余弦信號表示。調制基本概念無線通信無線通信( )cos(2)cccc tAf t2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 9 頁 調制信號按照調制信號的形式分為模擬調制調制信號按照調制信號的形式分為模擬調制和數字調制。其中，模擬調制主要包括振幅調制、和數字調制。其中，模擬調制主要包括振幅調制、頻率調制、相位調制，數字調制主要包括幅移鍵頻率調制、相位調制

9、，數字調制主要包括幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控?？亍㈩l移鍵控和相移鍵控。調制基本理論調制基本理論調制方式分類2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 10 頁2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 11 頁 任何周期函數，都任何周期函數，都可以看作是不同振幅，可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。不同相位正弦波的疊加。傅立葉變換頻譜的基本概念頻譜的基本概念2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 12 頁 時域與頻域

10、的關系。時域與頻域的關系。傅立葉變換-3-2-10123-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81頻譜的基本概念頻譜的基本概念2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 13 頁 傅立葉變換傅立葉變換：表示能將滿足一定條件的某個：表示能將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數（正弦和函數表示成三角函數（正弦和/或余弦函數）或或余弦函數）或者它們的積分的線性組合。者它們的積分的線性組合。傅立葉變換及頻譜定義+-( )= (t)=(t)ej tFffdtF 頻譜頻譜就是頻率的分布曲線，復雜振蕩分解為就是頻率的分布曲線，復雜

11、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。值按頻率排列的圖形叫做頻譜。頻譜的基本概念頻譜的基本概念2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 14 頁 信號的帶寬信號的帶寬：是指該信號所包含的各種不同頻率成：是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據的頻率范圍，通常用分所占據的頻率范圍，通常用W表示。表示。 低通信號：低通信號： 時，時， 帶通信號：帶通信號： 時，時，幾個基本概念頻譜的基本概念頻譜的基本概念fW( )0M f-cf fW( )0M f01234

12、567891000.511.501234567891000.511.52022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 15 頁 從海平面從海平面60km到大氣層外緣，由于太陽紫外線、微到大氣層外緣，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。對電磁波產生折射、反射、散射、大氣層被稱為電離層。對電磁波產生折射、反射、散射、吸收、色散和法拉第旋轉等現象，導致電波延時和信號吸收、色散和法拉第旋轉等現象，導致電波延時和信號衰落。衰落。電離層近地空間環境近地空間環

13、境 知識回顧知識回顧2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 16 頁 在一個通信系統中，信號源轉換的原始電信號一般在一個通信系統中，信號源轉換的原始電信號一般為低頻信號，不宜在絕大多數無線信道中直接傳輸，因為低頻信號，不宜在絕大多數無線信道中直接傳輸，因此需要進行調制及相應的解調。此需要進行調制及相應的解調。 調制的必要性：調制的必要性： （1）獲得有用的，適于信道傳輸的信號形式；）獲得有用的，適于信道傳輸的信號形式； （2）有效利用頻段；）有效利用頻段； （3）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波）合理利用天線尺寸去有效輻射電磁波 （4

14、）拓展發送信號傳輸帶寬，提高抗噪聲性能。）拓展發送信號傳輸帶寬，提高抗噪聲性能。發信機及接收機的調制與解調無線通信無線通信 知識回顧知識回顧2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 17 頁 調制和解調的實質是頻譜的搬移，其使命是傳遞消調制和解調的實質是頻譜的搬移，其使命是傳遞消息。確切地說，調制過程就是按照原始電信號或基帶信息。確切地說，調制過程就是按照原始電信號或基帶信號的變化規律去改變信號某些參數的過程。號的變化規律去改變信號某些參數的過程。 原始電信號稱為原始電信號稱為調制信號調制信號；被調制的高頻信號起運；被調制的高頻信號起運

15、載原始電信號的作用，稱為載原始電信號的作用，稱為載波載波；調制后所得到的參數；調制后所得到的參數隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為隨原始電信號線性變化的高頻信號稱為已調信號已調信號。通常，。通常，載波信號選用余弦信號表示。載波信號選用余弦信號表示。調制基本概念( )cos(2)cccc tAf t無線通信無線通信 知識回顧知識回顧2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 18 頁 將消息信號將消息信號m(t)調制在載波調制在載波c(t)的振幅上的的振幅上的調制方式為振幅調制（調制方式為振幅調制（AM）。）。 有幾種不同的調制方式：有幾種

16、不同的調制方式： （1）常規雙邊帶）常規雙邊帶AM （2）雙邊帶抑制載波）雙邊帶抑制載波AM （3）單邊帶）單邊帶AM （4）殘留單邊帶）殘留單邊帶AM振幅調制（AM）幾種模擬調制幾種模擬調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 19 頁 常規雙邊帶常規雙邊帶AM是將消息信號是將消息信號m(t)加上直流加上直流分量后直接與載波信號相乘獲得的。分量后直接與載波信號相乘獲得的。 常規雙邊帶AM振幅調制（振幅調制（AM）( )1+ ( ) ( )1+ ( )cos(2)cccu tm t c tAm tf t-3-2-10123-0.20

17、0.20.40.60.811.21.41.6-3-2-10123-2-1.5-1-0.500.511.52-3-2-10123-2-1.5-1-0.500.511.522022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 20 頁頻譜上相當于雙邊帶抑制載波頻譜上相當于雙邊帶抑制載波AM加上沖擊信號。加上沖擊信號。 常規雙邊帶AM振幅調制（振幅調制（AM）-( )=(1+ ( )cos(2)(-)()+cos(2)2(-)()+ (-)()22cccccccccjjccccccjjjjccccccU fAm tf tAM ff eM ff eAf t

18、AAM ff eM ff eff eff eFF-10-8-6-4-2024681000.20.40.60.81-5-4-3-2-101234500.20.40.60.812022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 21 頁 常規雙邊帶常規雙邊帶AM的優點是解調方法比較簡單，的優點是解調方法比較簡單，可通過包絡檢測方法實現?？赏ㄟ^包絡檢測方法實現。 常規雙邊帶AM振幅調制（振幅調制（AM）2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 22 頁 雙邊帶抑制載波雙邊帶抑制載波AM是將消息信

19、號是將消息信號m(t)直接直接與載波信號相乘獲得的。與載波信號相乘獲得的。 雙邊帶抑制載波AM振幅調制（振幅調制（AM）( )( ) ( )( )cos(2)cccu tm t c tA m tf t-3-2-10123-0.200.20.40.60.811.21.41.6-3-2-10123-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.812022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 23 頁 消息信號消息信號m(t)直接搬移了直接搬移了fc。 雙邊帶抑制載波AM振幅調制（振幅調制（AM）2- 2-2- 2-( )= ( )

20、( )cos(2)11( )22=( )+( )22(-)()2cccccccccccccjf tjjf t jj tcjf tjjf t jj tj tccjjcccU fu tA m tf tA m teeedtAAm t edtm t edtAM ff eM ff eFF-5-4-3-2-101234500.20.40.60.81-10-8-6-4-2024681000.20.40.60.812022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 24 頁 雙邊帶抑制載波雙邊帶抑制載波AM的解調可通過相干解調的解調可通過相干解調方法實現。產生本

21、地信號可通過鎖相環實現，乘方法實現。產生本地信號可通過鎖相環實現，乘法器通過非線性器件實現。法器通過非線性器件實現。 雙邊帶抑制載波AM振幅調制（振幅調制（AM）( )cos(2)=( )cos(2)cos(2)11=( )cos(- )+( )cos(4+ )22ccccccccccr tf tA m tf tf tA m tA m tf t 2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 25 頁 單邊帶單邊帶AM的是在雙邊帶抑制載波的是在雙邊帶抑制載波AM的基的基礎上增加單邊帶通濾波器實現的。礎上增加單邊帶通濾波器實現的。 單邊帶AM振

22、幅調制（振幅調制（AM）2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 26 頁 單邊帶單邊帶AM的頻譜特性為頻譜進行濾波后的的頻譜特性為頻譜進行濾波后的搬移，節省功率。搬移，節省功率。 單邊帶AM振幅調制（振幅調制（AM）-5-4-3-2-101234500.20.40.60.81 解調方式與雙邊帶抑制載波解調方式與雙邊帶抑制載波AM相似。相似。 -10-8-6-4-2024681000.20.40.60.812022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 27 頁 單邊帶單邊帶AM對便帶

23、濾波器的頻率響應要求比對便帶濾波器的頻率響應要求比較苛刻。若允許一部分不想要的邊帶出現在調制較苛刻。若允許一部分不想要的邊帶出現在調制器輸出端，則簡化濾波器的設計，所產生的信號器輸出端，則簡化濾波器的設計，所產生的信號為殘留邊帶為殘留邊帶AM信號。解調方式與雙邊帶抑制載信號。解調方式與雙邊帶抑制載波波AM相似。相似。殘留邊帶AM振幅調制（振幅調制（AM）-5-4-3-2-101234500.20.40.60.81-10-8-6-4-2024681000.20.40.60.81-10-8-6-4-2024681000.20.40.60.812022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Ins

24、titute of Technology第 28 頁 將消息信號將消息信號m(t)調制在載波調制在載波c(t)的頻率上的的頻率上的調制方式為頻率調制（調制方式為頻率調制（FM），調制在相位上的），調制在相位上的調制方式為相位調制（調制方式為相位調制（PM），兩種調制方式均），兩種調制方式均為角度調制，角度調制信號的一般表達式為為角度調制，角度調制信號的一般表達式為角度調制（FM、PM）幾種模擬調制幾種模擬調制(t)=cos(t)ccuAt其中，其中，A為載波恒定振幅；為載波恒定振幅； 信號的瞬時相位信號的瞬時相位 瞬時角速率（頻率）瞬時角速率（頻率）(t)=(t)ct( )( )ctdtt20

25、22-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 29 頁 瞬時頻率偏移隨調制信號呈比例變化瞬時頻率偏移隨調制信號呈比例變化頻率調制FM角度調制角度調制( )( )fdtK m tdt其中，其中，Kf為調頻靈敏度；為調頻靈敏度；此時，相位偏移為此時，相位偏移為可得到可得到FM信號的表達式為信號的表達式為(t)=( )fKmd( )cos( )ccfu tAtKmd2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 30 頁 瞬時相位偏移隨調制信號呈比例變化瞬時相位偏移隨調制信號呈比例變化相位調制PM(

26、 )( )ptK m t 其中，其中，Kp為調相靈敏度；表示單位調制信為調相靈敏度；表示單位調制信號幅度引起號幅度引起PM信號的相位偏移量信號的相位偏移量 可得到可得到PM信號的表達式為信號的表達式為( )cos( )ccpu tAtK m t角度調制角度調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 31 頁 由由FM可可PM的表達式可看出其對應關系的表達式可看出其對應關系FM和PM的關系( )cos( )ccfu tAtKmd( )cos( )ccpu tAtK m t角度調制角度調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin

27、Institute of Technology第 32 頁 調制信號為單一頻率的正弦波調制信號為單一頻率的正弦波單音調制FM、PM( )=cos=cos2mmmmm tAt Af t 當進行頻率調制時，則可得到已調信號的表當進行頻率調制時，則可得到已調信號的表達式為達式為( )cos( )d =cossin=cossinccffmccmccfmmu tAtKmK AAttAtmt 其中其中 為調頻指數，表示最為調頻指數，表示最大相位偏移，大相位偏移， 表示最大頻偏角。表示最大頻偏角。=fmfmmmK Afmf=fmK A角度調制角度調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Inst

28、itute of Technology第 33 頁 調制信號為單一頻率的正弦波調制信號為單一頻率的正弦波單音調制FM、PM( )=cos=cos2mmmmm tAt Af t 當進行相位調制時，則可得到已調信號的表當進行相位調制時，則可得到已調信號的表達式為達式為 其中，其中， 為調相指數，表示最大的相為調相指數，表示最大的相位偏移。位偏移。( )cos( )=coscos=coscosccpccpmmccpmu tAtK m tAtK AtAtmt=ppmmK A角度調制角度調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 34 頁 單音

29、調制單音調制FM信號和信號和PM信號的波形信號的波形單音調制FM、PM波形角度調制角度調制05-1-0.500.5105-1-0.500.5105-1-0.500.5105-1-0.500.5105-1-0.500.5105-1-0.500.512022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 35 頁 在一個角度調制系統中，滿足條件：對于所在一個角度調制系統中，滿足條件：對于所有的有的t， ，其中，其中 或或 則該角度調制為窄帶角度調制。則該角度調制為窄帶角度調制。窄帶調角信號角度調制角度調制(t)=( )fKmd( )( )ptK m t(

30、t)1( )coscos ( )-sinsin ( )cos-( )sincmcmcmcmu tAttAttAt Att 與常規與常規AM調制形式類似，帶寬與調制形式類似，帶寬與AM調制調制相同。與常規相同。與常規AM調制相比，沒有提供任何噪聲調制相比，沒有提供任何噪聲性能的改善，很少直接用于通信，但可以作為寬性能的改善，很少直接用于通信，但可以作為寬帶角度已調信號的中間階段使用。帶角度已調信號的中間階段使用。2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 36 頁 單音調頻信號的表達式可統一為單音調頻信號的表達式可統一為寬帶調頻角度調制角度

31、調制 利用三角公式展開，有利用三角公式展開，有( )cossinccmu tAtt( )coscos( sin)-sinsin( sin)ccmccmu tAtt Att 將兩個因子進行傅立葉展開，有將兩個因子進行傅立葉展開，有0212 -11cos(sin)( )2( )cos2sin( sin)22( )sin(2 -1)mnmnmnmntJJnttJnt 其中，其中， 為第一類為第一類n階貝塞爾函數。階貝塞爾函數。( )nJ2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 37 頁 貝塞爾函數曲線如下圖所示。貝塞爾函數曲線如下圖所示。寬帶

32、調頻角度調制角度調制2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 38 頁 利用貝塞爾函數的性質利用貝塞爾函數的性質寬帶調頻角度調制角度調制 將調頻信號展開，得到將調頻信號展開，得到-( )=-( ) n( )=( ) nnnnnJJJJ為奇數時為偶數時0122-( )coscos(sin)-sinsin(sin)( )cos-( )cos(-) -cos() ( )cos(-2) -cos(2) -( )cos(-3) -cos(3) .( )cos()ccmccmccccmcmccmcmccmcmncmnu tAttAttA Jt A

33、JttA JttA JttAJnt 2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 39 頁 將上式進行傅立葉變換，得到將上式進行傅立葉變換，得到寬帶調頻角度調制角度調制 由上式可見，調頻信號的頻譜由載波分量和無數邊由上式可見，調頻信號的頻譜由載波分量和無數邊頻組成；頻組成；n=0時為載波分量，其他為對稱分布在載波兩時為載波分量，其他為對稱分布在載波兩側的邊頻分量，間隔為側的邊頻分量，間隔為m；當當n為奇數時，上下邊頻極性為奇數時，上下邊頻極性相反，偶數時相同；相反，偶數時相同；FM信號頻譜不是調制信號的線性搬信號頻譜不是調制信號的線性搬移，

34、而是非線性過程。移，而是非線性過程。-( )= A( ) ( -n)+ ( +n) FMncmcmSJ 2022-6-13 哈爾濱工業大學 Harbin Institute of Technology第 40 頁調頻信號的帶寬角度調制角度調制 理論上調頻信號的帶寬為無限寬；實際上邊頻幅度理論上調頻信號的帶寬為無限寬；實際上邊頻幅度隨著隨著n的增加逐漸減小，因此調頻信號可近似認為具有有的增加逐漸減小，因此調頻信號可近似認為具有有限頻譜。限頻譜。 通常采用原則是信號頻帶寬度應包括幅度大于未調通常采用原則是信號頻帶寬度應包括幅度大于未調載波載波10%以上的邊頻分量，當以上的邊頻分量，當1時，取時，取n= +1即可。即可。 被保留的上下邊頻數共有被保留的上下邊頻數共有2n個，相鄰邊頻之間的頻個，相鄰邊頻之間的頻率間隔為率間隔為m ，有效帶寬為，有效帶寬為2(1)2()FMmmBfff 2022