遥控遥测遥测技术

第4章 遥测技术
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变换为脉冲信号的频率范围： 4～16Hz、 4～28Hz、 6～27Hz、 12～24Hz、 12～ 30Hz、 20～30Hz…………………
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（2）发送装置的工作原理
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令输入的直流电压为vi，输出脉冲频率为f，为了保证 给定的频率范围和给定直流输入电压范围密切配合， 加入基准电压是必要的。 例如，频率和电压之间关系为f=k(vi+v0)。 当k=1.2，f=1～24Hz，v0=10mV，则加一基准电压 v0=10mv，就可以满意地配合了。 （3）接收装置的工作原理
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3、GMSK调制体制 当把OQPSK的各相的矩形脉冲改变为高斯函数形状脉 冲时所形成的调制方式称为高斯MSK或GMSK体制。 为形成高斯型脉冲，可把OQPSK的各相的矩形脉冲通 过一个频率响应如下式所示的高斯型低通滤波器：
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4种调制体制性能比较
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式中： ka——最大频率偏移。 令ka =△ω，称其为最大频偏，又令
式中mf为调频波的调频指数 调相指数m φ 与调频指数mf是调角体制中极为重要的参数 窄带调制： m φ ≤1 或mf ≤1 宽带调制： m φ ≥1 或mf ≥ 1
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（1）窄带调制与宽带调制的重要区别： 如果φ(t)很小，则有
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（1）频移键控体制 频称键控(FSK)系统传输的信号为：
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（2）二相相移键控体制 二相相移键控(记为PSK或BPSK)体制的调制方式有两种 绝对相移键控 当载波的初相位0和π 分别代表码元“0”和“1”(或 “1”和“0”)时，称为绝对相移键控 差分相移键控 当以载波相位的相对变化表示码元“0”和“1”。例如 当码元为“1”时，载波相位发生π跃变，当码元为“0” 时，载波相位不改变，这种方式称为相对相移键控或差 分相移键控。
由此得出结论：在模拟调角体制下，宽带调制只能用 非相干解调方式解调，而窄带调制既可以用非相干解 调方式，也可以用相干解调方式解调。
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（2）频谱分布与带宽 模拟调角信号的谱分布很复杂，当调制信号φ(f)为一随 机过程时，即使在准静态近似下，其功率密度谱的表达 式也是十分复杂的。 这里仅以最简单的情况为例，说明调角信号谱分布的基 本特点： 利用cos(βsin x)和cos(βcos x) 展成贝塞尔函数的公式，整 理后得出FM、PM信号的谱分布为：
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（2） PACM-FM体制的抗干扰性能和带宽
PACM是PAM信号和PCM信号按时分方式形成的统一 信号流。
在过去，为满足当时大型运载火箭对遥测的迫切要求。 采用这种体制是比较合理的。在近40年后的今天，这种 体制已经不再被采用，但这种体制的遥测设备还未完全 退役，所以在此简单讨论一下这种体制。 抗干扰性能和带宽与PAM-FM基本相同。
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（3）正交复用体制 用一组正交函数{Si(t)}作为副载波实现多路信号复用调 制，称为正交复用，或正交分制。 当用沃尔什函数作为副载波时，称为沃尔什分制。正交 分制的主要原理是利用函数系{Si(t)}的正交性。
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4.1.2基本数字调制体制 当调制信号为数字形式，即PCM信号时，对载波的调制 称为数字调制。 遥测中常用的基本数字调制方式有: PCM—FM和PCM—PM，人们常称为FSK和PSK。 由于各种通信方式的普遍数字化，数字调制体制的研究 工作也十分活跃，新的体制不断出现。本节仅介绍几种 在遥测系统中已广泛采用的基本调制体制。
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2、MSK调制体制 把OQPSK的各相的矩形码元脉冲改变为半正弦波形状 的脉冲，这对合成信号将不发生相位跃变。因此它的 频谱分布更窄。这种调制方式称为“正弦OQPSK”。 它的调制指数比前述的最小调制指数的FSK还小半， 因此这种体制又称为最小频移键控 (minimum shife keying)体制，即MSK体制。
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2、脉冲幅度调制—调频体制 （1） PAM-FM体制的抗干扰性能和带宽 PAM-FM体制的抗白噪声干扰的性能公式为：
下面讨论PAM-FM传输系统接收机中频带宽B的选取。 根据匹配滤波器的理论，为获得抗白噪声的最大 输出信噪比，中频带宽B应满足 B=1.37/τ 其中τ 为采样脉冲宽度。 考虑到信道设备中许多环节的不理想因素。在工程设 计时，把中频带宽B取为B=(3～3.4)/ τ 比较合适。
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4.2.2FM—FM方式遥测 调制方式是模拟式遥测中最典型的一种频率分割方式 第一次FM变换 振荡频率正比于控制电压 第二次FM变换
低通滤波器滤除高次谐波
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4.2.3 脉冲时间调制方式遥测 脉冲时间调制的示意图
× √ √
幅度变化 宽度变化 位置变化
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称为扩频增益或处理增益
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注意，处理增益只是扩频体制抗窄带干扰的增益。随干 扰信号诺宽的加大，扩频体制的抗干扰能力越来越小于 处理增益，当干扰为白噪声时，扩频体制的处理增益的 概念完全失去意义。 对白噪声干扰，扩频体制比不扩频体制并无任何抗干扰 增益可言，这是一个重要结论。
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4.1 遥测信息传输
4.1.1模拟调制和多路复用
1、遥测载波调制最常用的两种体制——调频与调相 这一小节讨论模拟FM与模拟PM体制，FM与PM统 称为调角，是遥测载波调制最常用的两种体制。 设已调的调角信号为： s (t ) A cos(0t (t )) d (t ) A cos(0t t)
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QPSK信号可以表达为 QPSK信号相干检测原理框图
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4.1.3 扩频调制体制 在导弹、航天器遥测中已开始广泛采用扩频调制体制， 其主要目的有以下几个方面： 实现隐匿通信，使战略武器战斗弹的无线电遥测信号在 实战时不被敌方探测到，以免使遥测无线电波变成敌方 反导弹雷达系统的引导信号； 用于多目标测量的多址遥测； 以全球定位系统实现遥测跟踪。
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调相带宽： 调频带宽：
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（3）抗干扰性能 调相信号抗白噪声干扰的性能公式为：
调频信号抗白噪声干扰的性能公式为：
FM与PM体制的抗白噪声干扰能力与调制指数mf及mφ 成正比。 这是调角体制最根本的优点，是遥测采用大频偏宽带调 频体制的主要原因。
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(2)扩频体制的抗干扰性能 扩频通信系统的干扰，除一般通信系统的热噪声干优之 外，在多址通信中还存在各地址伪码序列之间的相互干 扰，称为多址干扰。 扩频多址通信有两种工作方式： 1）所有多址用户根据某一时间基准，同步地发送出扩 频信号，称为同步多址扩频(SSSA)方式。 这种方式中，由于各伪随机序列的起始点相同，当各 伪码序列之间的互相关系数很小时，多址干扰很小。 当采用伪随机正交序列时，理论上不存在多址干扰。 2）各多址用户的工作状态相互独立。一个用户收到的 多个发射信号中的数据码元的起始点是随机的，称为 随机多址扩频(SSRA)方式。
PM： (t ) kg (t ) 0 FM：
d (t ) kg (t ) dt
dt d (t ) A cos(0 )t dt
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如果调制信号为余弦函数，即
对PM制，已调信号为:
ka：——最大相移。 令ka =mφ，称mφ为调相波的调相指数。 对FM制，已调信号的相角变化为: 故已调调频信号为：
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调位脉冲信号帧结构
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时间调制器方框图
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时 间 调 制 器 波 形 图
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（1）扩频体制的原理与伪码序列 直接序列伪码扩频调制体制的原理
扩频调制 载波调制
载波解调
扩频解调
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式中，P(t) P(t)=l，A为d(t)的幅度。当d(t)=1时，A=1； 当d(t)＝0时，A＝0。由这些条件，并完成积分即可导出 上式最后两步。 数据序列码d(t)的码元宽度为T。设伪码序列的码元 (chipl或称码片)宽度为τ，显然，扩频前数据序列的频 谱宽度B与扩频后的伪码序列的频谱宽度BC之比为：
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Hale Waihona Puke Baidu
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这是极易实现的、最常用的多址方式。这种方式的多址 干扰计算是十分困难的，不在此叙述。 在工程上为了近似计算这种方式的多址干扰，把各伪随 机序列看成相互独立的，各序列对某一特定序列的干扰 功率视为各序列功率之和。当地址数较多时，把这个总 干扰视为白噪声。在这些假设条件下，可以导出解扩后 由热噪声和多址干扰造成的总信噪比为：
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4.1.4 航空航天遥测体制
随着高速数字传输、卫星通信、移动通信等的快速发展， 为了充分而有效地利用信道资源，数字调制体制的研究 工作在近20几年来异常活跃，新的体制不断涌现，尤以 压缩传输频谱宽度、降低带外功率、减少码间干扰、保 持信号包络恒定等方面为目的的调制体制为甚。
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1、OQPSK调制体制
前面介绍过，在QPSK调制原理图中，码元a(t)所在的 上支路与b(t)所在的下支路中的码元起始时刻是相同的。 所以在码元转换瞬间，合成信号s(t)可能出现1800的相 位跃变。 OQPSK则是把QPSK的同相分量与正交分量的码元转 换时间错开一个数据码元宽度Tb。码元转换时间不同时 发生。这样，合成的调相信号的相位突变最大值为 90度， 因此，此调相信号的频谱宽度小于QPSK信号的谱宽， 这种体制称为偏移键控(OQPSK)四相相移键控体制， 记为OKQPSK，通常简写为OQPSK。有的作者把这种 码元转换时间错开称为参差(stager)，把这种体制称为 SQPSK。
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4．2模拟式遥测技术 模拟式遥测是把被测物理量做模拟变换后再传送。
1、脉冲频率方式遥测 （1）脉冲频率方式遥测的组成 脉冲频率方式遥测是将一次变换器输出的模拟量变换为 脉冲个数，然后在调制器中利用这个脉冲信号去对载频 进行调制，最常用的是频移键控(FSK)的方法。 通常载频都选择在音频范围内，利用频率划分法，可以 在音频频带内传送十几路的脉冲频率遥测信号。 图所示是脉冲频率方式同时传送多路遥测量的方框图。
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3、遥测多路复用体制
（1）频分复用体制 频分制实现的基础是把各路信号调制到不同的副载波 上，其调制方式可以是AM，FM和PM三种方式中的 任一种。当被调制的各路副载波的频率间隔足够大时， 各路已调波的频谱将不相互重叠。它们经过公共信道 传送后，在接收端用一组带通滤波器分开，达到多路 信号共用一个信道传输的目的。 遥测中采用频分制的调制体制为FM—FM制，即载波 和副载波都采用FM方式。FM—FM体制具有极强的 抗白噪声干抗能力，所以曾被广泛采用。
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（2）时分复用体制 时分制的基础是对信号进行采样，在满足采样定理要求 的条件下，每路信号各相邻样点之间可以有充分大的间 隔，以插入其他各路信号的样点。由于各路信号的样点 序列在时间上互不重叠，它们通过一个公用信道后，在 接收端可用一个与发送端同步的选通开关。把它们 相互分开，达到多路信号在一个共用信道中传轮的目的。 时分制的调制方式可以是PAM，也可以是PDM、PPM， 而当今应用最为广泛的则是PCM。 时分制的载波调制方式多为PM和FM。
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PSK信号可表示为：
PSK信号相干检测原理框图
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差分相干检测原理
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（3）四相相移键控体制
四相相移键控(QPSK)体制占用带宽为二相相移键控 (PSK或BPSK)的一半，在理想信道条件下QPSK的性能 与BPSK相同，故获得广泛应用。 QPSK调制的原理