第2章 测控信号的调制、解调与通信链路预算

2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第1页二、测控信号的调制、解调与通信链路预算

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HarbinInstituteofTechnology2023/2/5第2页航天测控系统课程回顾航天测控系统：航天测控系统是对航天器飞行轨道、姿态和其上各分系统工作状态进行跟踪测量、监视与控制的技术系统，用于保障航天器按照预先设计好的状态飞行与工作，以完成规定的航天任务。遥测系统：遥测系统是接收在航天器上进行测量与组织收集、经下行无线电链路传送来的各种参数数据并进行记录、处理，以及按要求发送至相应用户（如飞行控制中心）的系统。

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HarbinInstituteofTechnology2023/2/5第3页遥控系统：遥控系统的功能是产生指令信息和注入数据的编码，经上行无线电链路发向航天器，按任务需要对航天器进行实时控制或（和）程序定时控制。测量系统：测量系统的功能是获取航天器相对测控天线的方向角、距离及径向速度等位置运动参数，以确定航天器的运行轨道，并引导测控天线指向航天器，建立天地无线电链路。

航天测控系统课程回顾2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第4页航天测控系统按其系统功能组成，可包括跟踪测轨、遥测、遥控、天-地通信与数据传输、数据处理、监控显示、地-地通信和时间统一等八个主要分系统(系统)以及有关辅助支持系统。包括两类基本单元：测控站及测控中心航天测控系统课程回顾2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第5页通信系统的作用，是将产生的信源发送到一个或多个目的地。通信系统的基本组成包括信源及输入变换器、发信机、信道、接收机及输出变换器，发信机、信道及接收机是核心。通信基本组成航天测控系统2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第6页星地测控无线信道模型可简化如下，包括信道衰减和加性噪声。接收机接收的信号为无线信道基本模型无线通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第7页在一个通信系统中，信号源转换的原始电信号一般为低频信号，不宜在绝大多数无线信道中直接传输，因此需要进行调制及相应的解调。

调制的必要性：

（1）获得有用的，适于信道传输的信号形式；

（2）有效利用频段；

（3）合理利用天线尺寸去有效辐射电磁波

（4）拓展发送信号传输带宽，提高抗噪声性能。发信机及接收机的调制与解调无线通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第8页调制和解调的实质是频谱的搬移，其使命是传递消息。确切地说，调制过程就是按照原始电信号或基带信号的变化规律去改变信号某些参数的过程。

原始电信号称为调制信号；被调制的高频信号起运载原始电信号的作用，称为载波；调制后所得到的参数随原始电信号线性变化的高频信号称为已调信号。通常，载波信号选用余弦信号表示。调制基本概念无线通信2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第9页调制信号按照调制信号的形式分为模拟调制和数字调制。其中，模拟调制主要包括振幅调制、频率调制、相位调制，数字调制主要包括幅移键控、频移键控和相移键控。调制基本理论调制方式分类2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第10页1.1模拟信号调制与解调2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第11页任何周期函数，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。傅立叶变换频谱的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第12页时域与频域的关系。傅立叶变换频谱的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第13页

傅立叶变换：表示能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。傅立叶变换及频谱定义

频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。频谱的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第14页

信号的带宽：是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，通常用W表示。

低通信号：时，

带通信号：时，几个基本概念频谱的基本概念2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第15页从海平面60km到大气层外缘，由于太阳紫外线、微粒流、宇宙射线等作用，部分大气分子被电离，这样的大气层被称为电离层。对电磁波产生折射、反射、散射、吸收、色散和法拉第旋转等现象，导致电波延时和信号衰落。电离层近地空间环境知识回顾2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第16页在一个通信系统中，信号源转换的原始电信号一般为低频信号，不宜在绝大多数无线信道中直接传输，因此需要进行调制及相应的解调。

调制的必要性：

（1）获得有用的，适于信道传输的信号形式；

（2）有效利用频段；

（3）合理利用天线尺寸去有效辐射电磁波（4）拓展发送信号传输带宽，提高抗噪声性能。发信机及接收机的调制与解调无线通信知识回顾2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第17页调制和解调的实质是频谱的搬移，其使命是传递消息。确切地说，调制过程就是按照原始电信号或基带信号的变化规律去改变信号某些参数的过程。

原始电信号称为调制信号；被调制的高频信号起运载原始电信号的作用，称为载波；调制后所得到的参数随原始电信号线性变化的高频信号称为已调信号。通常，载波信号选用余弦信号表示。调制基本概念无线通信知识回顾2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第18页将消息信号m(t)调制在载波c(t)的振幅上的调制方式为振幅调制（AM）。

有几种不同的调制方式：

（1）常规双边带AM（2）双边带抑制载波AM（3）单边带AM（4）残留单边带AM振幅调制（AM）几种模拟调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第19页常规双边带AM是将消息信号m(t)加上直流分量后直接与载波信号相乘获得的。

常规双边带AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第20页频谱上相当于双边带抑制载波AM加上冲击信号。

常规双边带AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第21页常规双边带AM的优点是解调方法比较简单，可通过包络检测方法实现。常规双边带AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第22页双边带抑制载波AM是将消息信号m(t)直接与载波信号相乘获得的。

双边带抑制载波AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第23页消息信号m(t)直接搬移了fc。

双边带抑制载波AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第24页双边带抑制载波AM的解调可通过相干解调方法实现。产生本地信号可通过锁相环实现，乘法器通过非线性器件实现。

双边带抑制载波AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第25页单边带AM的是在双边带抑制载波AM的基础上增加单边带通滤波器实现的。

单边带AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第26页单边带AM的频谱特性为频谱进行滤波后的搬移，节省功率。单边带AM振幅调制（AM）解调方式与双边带抑制载波AM相似。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第27页单边带AM对便带滤波器的频率响应要求比较苛刻。若允许一部分不想要的边带出现在调制器输出端，则简化滤波器的设计，所产生的信号为残留边带AM信号。解调方式与双边带抑制载波AM相似。残留边带AM振幅调制（AM）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第28页将消息信号m(t)调制在载波c(t)的频率上的调制方式为频率调制（FM），调制在相位上的调制方式为相位调制（PM），两种调制方式均为角度调制，角度调制信号的一般表达式为角度调制（FM、PM）几种模拟调制其中，A为载波恒定振幅；

信号的瞬时相位

瞬时角速率（频率）2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第29页瞬时频率偏移随调制信号呈比例变化频率调制FM角度调制其中，Kf为调频灵敏度；此时，相位偏移为可得到FM信号的表达式为2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第30页瞬时相位偏移随调制信号呈比例变化相位调制PM其中，Kp为调相灵敏度；表示单位调制信号幅度引起PM信号的相位偏移量可得到PM信号的表达式为角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第31页由FM可PM的表达式可看出其对应关系FM和PM的关系角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第32页调制信号为单一频率的正弦波单音调制FM、PM当进行频率调制时，则可得到已调信号的表达式为其中为调频指数，表示最大相位偏移，表示最大频偏角。角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第33页调制信号为单一频率的正弦波单音调制FM、PM当进行相位调制时，则可得到已调信号的表达式为其中，为调相指数，表示最大的相位偏移。角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第34页

单音调制FM信号和PM信号的波形单音调制FM、PM波形角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第35页

在一个角度调制系统中，满足条件：对于所有的t，，其中或则该角度调制为窄带角度调制。窄带调角信号角度调制

与常规AM调制形式类似，带宽与AM调制相同。与常规AM调制相比，没有提供任何噪声性能的改善，很少直接用于通信，但可以作为宽带角度已调信号的中间阶段使用。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第36页

单音调频信号的表达式可统一为宽带调频角度调制

利用三角公式展开，有

将两个因子进行傅立叶展开，有

其中，为第一类n阶贝塞尔函数。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第37页贝塞尔函数曲线如下图所示。宽带调频角度调制2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第38页

利用贝塞尔函数的性质宽带调频角度调制

将调频信号展开，得到2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第39页

将上式进行傅立叶变换，得到宽带调频角度调制

由上式可见，调频信号的频谱由载波分量和无数边频组成；n=0时为载波分量，其他为对称分布在载波两侧的边频分量，间隔为ωm；当n为奇数时，上下边频极性相反，偶数时相同；FM信号频谱不是调制信号的线性搬移，而是非线性过程。2023/2/5

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HarbinInstituteofTechnology第40页调频信号的带宽角度调制理论上调频信号的带宽为无限宽；实际上边频幅度随着n的增加逐渐减小，因此调频信号可近似认为具有有限频谱。

通常采用原则是信号频带宽度应包括幅度大于未调载波10%以上的边频分量，当β>1时，取n=β+1即可。

被保留的上下边频数共有2n个，相邻边频之间的频率间隔为ωm，有效带宽为202