无线电测控系统的主要.ppt

1,第六章 无线电测控系统的主要技术指标及检验,孟维晓 电话：864169048225 传真：86418070 Email: 工作单位：哈工大通信技术研究所（科学园2A栋1225室）,无线电测控技术,2,6.1 主要技术指标,空间传输距离方程 影响传输距离的主要因素： 发射功率 工作频率 发射天线增益 接收天线增益 接收机带宽 接收灵敏度 各种损耗,安全裕量M：24倍（36dB）,3,6.1.1 发射功率,发射功率是影响系统作用距离的因素之一。 受体积、重量、电磁环境等条件限制，发射功率不宜太大 UHF（特高频）频段最大功率一般不超过20W SHF（超高频）频段最大功率一般不超过15W 在限定功率条件下，提高收/发天线增益、提高接收机灵敏度以及降低各种损耗，均可以达到同样的作用距离。,4,5,6.1.2 发射天线及馈线,1. 发射天线 遥测发射天线选型根据性能、频段、气动外形。 天线性能指标主要有：方向图、增益、极化形式、工作带宽、输入阻抗、电压驻波比。 天线形式有振子型天线、环形天线、切口天线、隙缝(开槽)天线、微带天线等。 天线的电压驻波比（VSWR）是衡量传输线路及其负载之间阻抗不匹配的程度。越大越不匹配， 理想完全匹配为1，一般不大于2； 对于窄带单点频天线，电压驻波比不大于1.5。 天线的工作频带宽度应满足使用要求，尤其多个点频共用天线时的宽带要求。,6,2. 馈线设计 在可能的条件下，尽量选用低损耗电缆。 在使用天线共用器或功率分配器时，应做精细设计。 天线共用是多个发射机共用天线， 功率分配器是单个发射机使用多个天线单元。 天线共用器或分配器的插入损耗、电压驻波比、双向隔离度等指标应重点加以考虑。,7,6.1.3 接收天线,1. 天线增益 根据遥测发射机功率、发射天线增益、遥测数据带宽、作用距离和接收机灵敏度，确定接收天线的最小增益；（链路预算问题） 进而确定天线的形式和口径； 同时确定天线波束宽度和天线座的负载驱动能力及精度要求； 所需天线增益在很大程度上决定了全系统的规模和性能指标。,当发射条件已知时,8,2. 波束宽度和跟踪精度 天线形式连同天线的波束宽度确定。 遥测与雷达天线（定位、测距功能）不同； 遥测系统，以接收数据为目的，对天线的跟踪精度要求不高，天线波束宽度可适当放宽。 遥测：天线跟踪角误差小于天线波束宽度的1/10即可，这时增益损失小于0.2dB； 雷达定位：天线跟踪角误差小于天线波束宽度的1/100 天线波束越宽，则对目标的捕获和信号的接收越有利，然而增益越低。,9,3. 常用的遥测天线 (1) 八木天线 八木天线又称引向天线或波道型天线，在遥测系统中应用十分广泛。八木天线由一个有源振子和若干个无源振子组成。,10,不同振子元数的八木天线主要性能表,水平平面,垂直平面,FBR,11,半功率波束宽度,水平辐射分布图 ( horizontal / azimuth sweep plane ) 垂直辐射分布图 ( vertical / elevation sweep plane ),水平面8dB增益全向天线,12,二战飞机每侧翼下的八木天线,早期的地对空八木天线站,现在使用的八木天线,八木天线的优点是结构简单、制作方便、成本低，主要用于超短波频段及低端微波频段。 在遥测系统中，八木天线一般设计成互相垂直的两组天线，配置一个极化电桥(即3dB定向耦合器)，便可以实现左、右旋圆极化波的同时接收。 一般情况下，八木天线振子数最多可达12根，增益达14.515dB。 八木天线可单个使用，也组成四元高增益天线阵。 八木天线的缺点是带宽较窄，一般仅为中心频率的410；旁瓣电平较高，约为-10-14dB。 八木天线主要参数的计算公式如下：,14,(2) 背射天线 在端射天线(八木、螺旋、介质天线等)最末端的引向器后面加一反射盘，构成背射天线 辐射方向和普通端射天线相反，称背射天线。 任何端射天线都可组成背射天线，常用背射天线有长背射、短背射、波导馈电背射天线3种。 短背射天线的增益约为8.517dB，旁瓣电平低20dB左右 与相同性能的八木天线相比较，虽然其反射器的面积比八木天线大，但天线长度仅为八木天线的1/10，因此，在遥测领域得到广泛应用。 短背射天线既可以单个使用，也可以多个组阵，利用4个短背射组成的天线阵，增益可达22dB。,15,简易短背射天线,0.65米短背射天线,反射盘,波束指向,绝对增益,16,(3) 抛物面天线 抛物面天线是遥测微波频段最常用的一种天线，显著特点是增益高。 馈源是的基本部件之一，天线的形状和尺寸确定后，天线的性能完全由馈源决定，通常对馈源提出如下要求： 馈源处于抛物面的焦点上； 馈源方向图单向且旋转对称的，形成波瓣的旁瓣电平要尽量低(18dB以下)，有效地抑制地杂波和多径效应； 馈源工作频带宽及预定的极化性能要求： 在S频段上，要求频带宽度大于l00MHz， 极化分集接收，要求天线可同时接收双旋极化信号； 馈源应有足够的机械强度，对天线口面的遮挡要小。 抛物面天线的馈源一般有振子型和波导喇叭型。,17,抛物面天线的参数计算公式 式中 D抛物面天线口径； 天线效率，般为5065 D/ 60时，抛物面天线效率达到最佳值。,18,6.1.4. 接收系统等效噪声温度,接收系统的噪声功率N可表示为噪声功率谱密度N0与接收系统等效噪声带宽Bi的乘积： 接收机输入噪声功率或噪声功率谱密度的确定主要决定于系统噪声温度； Tn 外部噪声温度Ta 内部噪声温度Tr 1. 外部(天线)噪声温度Ta,19,2. 内部噪声温度 Tr 3. LNA输入端等效噪声温度 4. 天线输出端等效噪声温度 5. 接收系统品质因数G/Tn 根据天线增益和接收系统的等效噪声温度，可以直接计算接收系统的品质因数G/Tn为,20,6.1.5 接收系统灵敏度,中频带宽要适度。在遥测雷达接收机中 射频信号：从天线接收的未混频前的信号，即载频工作频率 中频信号：射频信号经过混频下变频到某个几十千到几百兆赫兹的某个频段； 视频信号： FM：中频信号鉴频后低频段基带信号 AM：经包络检波后得到的零中频信号 数字下变频：中频经A/D采样后成为的零中频信号 鉴频输出信噪比 系统门限 误码率的估算,6.1.6 接收机动态范围,21,6.1.7 各种损耗的考虑,传播环境对信号的损耗是影响传输距离的重要因素。 环境影响带来的信号损耗主要有： 大气吸收损耗 雾、云、雨、雪天气对信号的影响 对流层吸收衰减 法拉第旋转损耗等 除大气吸收损耗外，其它损耗数值较小 环境总损耗按0.51dB取值 计算传输距离时，还要考虑： 发收馈线的衰减和极化衰减，并留有足够的安全余量 遥测接收机采用分集接收技术，极化衰减按0.51dB 信道参数预测较准，安全余量按13dB；否则46dB,22,法拉第旋转：线极化电波通过电磁场时，会在电磁场 的影响下产生极化面相对入射波的旋转,横向传播,纵向传播,23,6.1.8 遥控指令差错率,遥控系统指令差错率包括以下三个方面： （1）漏指令概率 控制端发送了遥控指令，被控端没能准确译码，该指令被拒收，而发生漏指令的概率，称为漏指令概率。 （2）虚指令概率 控制端遥控设备没有发送指令，由于噪音或外部干扰，被控端上译码器却译出一条需要指令的概率，称为虚指令概率。 （3）误指令概率 控制端遥控设备发出Kj指令，由于噪声或外部干扰，被控端上译码器错译成Ki指令的概率，称为误指令概率；,24,6.1.8 遥控指令差错率,遥控信道本身误码率一般为10-410-6 对导弹、航天器遥控要求 指令错误率一般在10-8以下。 漏指令概率P漏110-6（信噪比Eb/N0=16dB） 误指令概率P误110-8（信噪比Eb/N0=16dB）,25,设某航天器指令译码器的基本参数是： 指令帧长度96bit，其中有效指令码位236bit 指令字的码距4 上行信道误码率Pe=10-5 指令译码准则是： 地址同步字识别准则：16bit中至少15bit符合 方式字检出准则：4bit为一段，只要一段检出即可 指令字检出准则：每帧含2个相同的指令字，每个指令字36bit，只要一个指令字全符合，即可。,计算举例1,26,6.2 检验方法,从检验角度看，遥控系统的主要技术指标可分为两类：一类是可检验的；另一类是不可检验的。 信道部分的指标、实时性指标和精度指标大都属于可检验指标，如发射机的发射功率和本振频率稳准度、天线增益、接收机灵敏度、地面遥控设备指令处理时延等。,27,不可检验指标在理论上可检验，但由于时间、经费等因素的制约，在工程上难以实现，安全可靠性方面的指标多属于这一类。 如遥控系统的漏、误指令概率，指标要求大都在10-7以上，而遥控系统的传输速率很低，有的要1s左右才能发送一条指令，若某卫星寿命为10年，要直接检验虚指令指标，就需要105年。 所以，直接检验虚、漏、误指令概率指标在时间上是不可实现的。,28,6.2.1 天线增益测试,天线增益 天线增益的测试环境 天线测试场：室外环境及大型天线 距离限制 天线高度限制 微波暗室：小型天线测试可以在微波暗室进行。暗室中的各面上均覆盖高质量吸收材料。 宽和高限制 矩形暗室 锥形暗室,29,天线增益测试方法 增益标准定标：标准天线测定； 增益传递测量法 ： 天线增益传递测量法也称为比较法，它将被测天线的增益和一个增益标准的天线增益进行比较，从而测出被测天线的功率增益。 测试条件：绝缘、转台 数据处理：多次平均 圆极化增益计算,用两个完全一样的未知增益天线 也可以一个天线增益已知,30,6.2.2 接收机灵敏度测试,确定遥测接收机的频率捕获灵敏度和遥测数据解调灵敏度 频率捕获灵敏度：接收机稳定捕获的最小输入信号功率电平。是否稳定地捕获都以锁定指示为判据。 遥测数据解调灵敏度：解调的遥测数据达到规定的误码率时接收机的最小输入信号功率电平。,31,6.2.2 接收机灵敏度测试,频率捕获灵敏度测试：改变FM信号发生器输出的RF信号功率，从高至低，直至接收机失锁，再往高慢慢增加，直至接收机稳定捕获锁住。这时用频谱仪在IF上测C/N0值，即为频率捕获灵敏度。 遥测数据解调灵敏度：接收机解调出的PCM数据流送至遥测解调设备，进行误码率测量，改变FM信号发生器输出的RF信号功率电平，由高至低，直到解调设备测得的误码率达到规定的要求。这时用频谱分析仪在IF上测C/N0值，即为遥测数据解调灵敏度。 灵敏度也可用相应的最小接收信号功率表示。 接收机灵敏度 vs 整机灵敏度,32,灵敏度测试原理,33,通常等效噪声温度用环境的绝对温度来计算，如环境为摄氏27度，对应T=300K, 波尔兹曼常数为k=1.380650510-23 J/K ，N0=kT (单位：dBm/Hz），N=N0B 例：若C/N0=24dB-Hz, T=17，N0=？ dBm/Hz，信号带宽为2MHz，此时接收载波信号功率为多少dBm?载噪比为多少dB？,计算举例2,34,6.2.3 系统误码率测试,测试条件 测试是在微弱信号下进行的。 无电磁干扰信号的环境中，必要时在屏蔽室内。 所有的测试仪器和被测设备均有良好的接地。 环境条件、电源条件、仪器条件。 频率、码型、码率、帧结构等一致， 同步比对统计特性； 一般要求大于2个数量级的累计测试； PCM-FM遥测系统误码率测试 PCM-PSK-PM遥测系统误码率测试 PCM-QPSK遥测系统