（信号与信息处理专业论文）天线分集bpskfsk数字接收机的设计与研制.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r er a d i o ，t h ed e s i g no f w i r e l e s sr e c e i v e r b r o k et b x o u g ht r a d i t i o n a lm o d e li ur e c e n ty e a r s ，a n ds o f t w a r er a d i ob e c o m e st h en e w c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i t sn u c l e u si st h a tu s i n gw i d eb a n dw i r e l e s sr e c e i v e r s u b s t i t u t ef o rt h eo r i g i n a ln a r r o wb a n dr e c e i v e r i t s 虬da n dd ac o n v e r l e rs h o u l db e p l a c et ot h ea n t e m l aa se a r l y a sp o s s i b l e 。m a dt h ef u n c t i o no ft r a n s m i t t e r - r e c e i v e r s h o u l db er e a l i z e dw i t hs o f t w a r ea sf a ra sp o s s i b l e s ot h a ti t sf u u c t i o ni sp o s s e s s e do f g o o de x t e n d e dn a t u r e i ti sd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c o l r m m n i c a t i o ni l at h ef u t u r e i ti s a l s of o u n d a l i o no fd e s i n ao fa n t e n n ad i v e r s i t yb p s k f s kd i g i t a lr e c e i v e ri nt h e p r o j e c t i n t h i s t h e s i s ，t i r en u m e r a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp a r to ft h i ss y s t e m i s d e v e l o p e d c h a p t e r1 i n t r o d u c e sa s s i g m n e n tb a c k g r o u n d ，a n dr a d i ot e l e m e t r ys y s t e mi s s i m p l y i n t r o d u c e d c h a p t e r2i n t r o d u c e sm a t e i m ad i v e r s i t yb p s k f s kw i r e l e s sd i g i t a lr e c e i v e r , m a dg i v e so u tt i r eb a s i cd i a g r a mo f r e c e i v i n gs y s t e m c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fn u m e r a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp a r to f t h er e c e i v e ri nd e t a i l f i r s t d i s c u s s i n g t w ok i n d so f p r i n c i p l e s o fm o d u l a t i o n m e t h o d ( b p s k ，2 f s k ) ，m i dt h e i rs c h e m eo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n ，a n dt h e i r p e r f o r m a n c ea n a l y s i si sg i v e no u t ；n e x t ，d i s c u s s i n gt h e c l a s s i f i c a t i o no fd i v e r s i t y , a n t e m l ad i v e r s t t ya n dm a x i m u mr a t i oc o m b i n i n ga r ee m p h a s i z e d ，a n ds e v e r a lk i n d s o fc o m b i n i n ga l g o r i t h ma r ec o m p a r e d ；t h et h i r di n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l eo fc o r d i c a l g o r i t l m a ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dh a r d w a r er e a l i z a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e d ；t h e 4 t hi n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l ea n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ed i g i t a lp h a s el o c k e d l o o p ；a n df i n a l l yr e p r e s e n t i n g t h ea n t e l m a a n g l ee r r o rt r a c k i n gp r i n c i p l e c h a p t e r4i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fa d 6 6 2 0 i t sc a s e c a d ei n t e g r a t o r c o m b f i l t e r , r a i s e dc o s i n ef i l t e ri sr e p r e s e n t e d a n dt h ed e s i g nm e t h o do f t h e mj si n t r o d u c e d c h a 【p t e r5i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xl o g i cd e v i c eu s e di nt h i s s y s t e m ，a n dt h ec o n f i g u r i n g m e t h o do f t h i sd e v i c e t h e ns i m p l yi ) a l r o d n c e st h e c h a r a c t e r i s t i co fv h d l l a n g u a g e c h a p t e r6i n t r o d u c e s t h er e a l i z a t i o nm e t h o dt h a tw er e a l i z e dt h ew i r e l e s s r e c e d e rd i g i t i z e di m e r m e d i a t ef r e q u e n c yp a r t a l lt h eh a r d w a r ef 1 o n at h ea n t e p m at o e n d o u t p u t i sd i s c u s s e d t h er e a l i z a t i o nt h e d i v e r s i t yc o m b i n i n g ，b p s k ，f s k d e m o d u l a t i o n ，t h ea n t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k ，t h ec a n i e rp h a s e 1 0 c k e dl o o p ，m o d e lo f a n t e l u l a a n g l et r a c k i n gi n c p l di s e m p h a s i z e d t h er e s o u r c e sc o n s u m i n go ft h e m a j o rm o d u l e s ，t h em a x i n l u mc l o c kf i - e q u e n c ya n dt h er e s o u r c e st h a tt h en u n l e r a l i n t e m a e d i a t ef i e q u e n c y s i g n a lp r o c e s s i n gp a r to f r e c e i v e r a r ea l s og i v e no u t c h a p l i n 7g i v e so u tt h es y s t e m t ot e s tr e s u l ta n dt h ew o r ki 1 1t h em l u r e k e y w o r d ：w i r e l e s sr e c e i v e r ，t h ea n t e n n ad i v e l s i t y , m a x i l q q u l t lr a t i oc o m b i n g c o l d i c a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：塑整 日期：口嘲年岁月，e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：虫整 导师签名： 日期：z 吩年，月- 日 电子科技大学硕士论文 1 1 任务背景 第一章引言 随着近年来高科技，新技术的突飞猛进，作为导弹、航天测控网重要组成部 分的遥测系统也有了迅猛发展，大量的新技术应用其中。成都普利电子有限公司 承接的中国航天科技集团公司2 8 9 厂的重点项目天线分集b p s k f s k 数字接收 机，正是应用通信领域最新技术软件无线电的基本思想来研制开发的。这种新型 的接收机不仅具有很高的技术含量，而且有很好的经济效益、社会效益。 1 2 遥测系统的组成和工作原理 1 2 1 无线电遥测系统原理框图 无线电遥测是将一定距离外被测对象的参数，经过传感器采集，通过传输媒 介送到接收地点并进行解调、记录，处理的一种测量过程。导弹、航天器遥测系 统是以现代信息技术为基础的应用系统，其功能包括信息采集、信息传输与信息 处理三个环节，其组成框图如图1 1 所示。 待 测 参 数 t 能器h 船肺器 多调 弋 路制 传感器卜刮信号调节器 专 复发 用 射 l 传志h 信号调节器小 装机 置 发送端 电子科技大学硕士论文 1 1 任务背景 第一章引言 随着近年来高科技，新技术的突飞猛进，作为导弹、航天测控网重要组成部 分的遥测系统也有了迅猛发展，大量的新技术应用其中。成都普利电子有限公司 承接的中国航天科技集团公司2 8 9 厂的重点项目天线分集b p s k f s k 数字接收 机，正是应用通信领域最新技术软件无线电的基本思想来研制开发的。这种新型 的接收机不仅具有很高的技术含量，而且有很好的经济效益、社会效益。 1 2 遥测系统的组成和工作原理 1 2 1 无线电遥测系统原理框图 无线电遥测是将一定距离外被测对象的参数，经过传感器采集，通过传输媒 介送到接收地点并进行解调、记录，处理的一种测量过程。导弹、航天器遥测系 统是以现代信息技术为基础的应用系统，其功能包括信息采集、信息传输与信息 处理三个环节，其组成框图如图1 1 所示。 待 测 参 数 t 能器h 船肺器 多调 弋 路制 传感器卜刮信号调节器 专 复发 用 射 l 传志h 信号调节器小 装机 置 发送端 一 皇王型垫查兰婴圭笙茎 一 一一 天 接收端 图1 1 无线电遥测系统原理框 1 2 2 基本工作原理 在发送端，待测参数( 如温度、压力、加速度等物理量) 通过传感器( 如热 电阻，电阻温度计，电桥和电位计等) 转换成电信号( 对本身是电信号的参数， 不需要再转换) ，再通过信号调节器变换成适合采集的规范化信号，如电压、电 流。多路复用装置将多路规范化信号按一定的体制组合在一起，形成适合单一信 道传送的群信号，再调制发射机的载波，经功率放大后通过天线发向接收端。 在接收端，接收天线收到信号后发送到接收机进行载波解调，再经过多路复 用解调器恢复出各路遥测信号，送到数据处理分系统进行数据处理，按要求选出 部分参数加以显示，并对接收和调解后的检前、检后全部遥测信号进行记录，以 便事后脱机处理。 1 3 导弹、航天器遥测系统的特点 导弹、航天器遥测系统与普通的通信系统相比具有如下特点： ( 1 ) 作用距离远，格式复杂 导弹、航天器飞行空域广，通信距离远，至少数百公里，加上遥测参数的 格式编排复杂，这样就对遥测系统的数据采集、传输，解调提供出了很高的技 术要求。 ( 2 ) 系统的可靠性高 由于导弹、航天器造价昂贵，飞行试验次数受限，每次飞行试验都要求系 统完整而可靠地获取飞行试验数据。因此，保证遥测系统的高可靠性十分必要， 除了提高遥钡4 设备的可靠性外，还采用分集接收体制和地面双热备份制，以进 一步提高系统的可靠性。 ( 3 ) 存在多种调制方式和多种复用方式 一 皇王型垫查兰婴圭笙茎 一 一一 天 接收端 图1 1 无线电遥测系统原理框 1 2 2 基本工作原理 在发送端，待测参数( 如温度、压力、加速度等物理量) 通过传感器( 如热 电阻，电阻温度计，电桥和电位计等) 转换成电信号( 对本身是电信号的参数， 不需要再转换) ，再通过信号调节器变换成适合采集的规范化信号，如电压、电 流。多路复用装置将多路规范化信号按一定的体制组合在一起，形成适合单一信 道传送的群信号，再调制发射机的载波，经功率放大后通过天线发向接收端。 在接收端，接收天线收到信号后发送到接收机进行载波解调，再经过多路复 用解调器恢复出各路遥测信号，送到数据处理分系统进行数据处理，按要求选出 部分参数加以显示，并对接收和调解后的检前、检后全部遥测信号进行记录，以 便事后脱机处理。 1 3 导弹、航天器遥测系统的特点 导弹、航天器遥测系统与普通的通信系统相比具有如下特点： ( 1 ) 作用距离远，格式复杂 导弹、航天器飞行空域广，通信距离远，至少数百公里，加上遥测参数的 格式编排复杂，这样就对遥测系统的数据采集、传输，解调提供出了很高的技 术要求。 ( 2 ) 系统的可靠性高 由于导弹、航天器造价昂贵，飞行试验次数受限，每次飞行试验都要求系 统完整而可靠地获取飞行试验数据。因此，保证遥测系统的高可靠性十分必要， 除了提高遥钡4 设备的可靠性外，还采用分集接收体制和地面双热备份制，以进 一步提高系统的可靠性。 ( 3 ) 存在多种调制方式和多种复用方式 一 皇王型垫查兰婴圭笙茎 一 一一 天 接收端 图1 1 无线电遥测系统原理框 1 2 2 基本工作原理 在发送端，待测参数( 如温度、压力、加速度等物理量) 通过传感器( 如热 电阻，电阻温度计，电桥和电位计等) 转换成电信号( 对本身是电信号的参数， 不需要再转换) ，再通过信号调节器变换成适合采集的规范化信号，如电压、电 流。多路复用装置将多路规范化信号按一定的体制组合在一起，形成适合单一信 道传送的群信号，再调制发射机的载波，经功率放大后通过天线发向接收端。 在接收端，接收天线收到信号后发送到接收机进行载波解调，再经过多路复 用解调器恢复出各路遥测信号，送到数据处理分系统进行数据处理，按要求选出 部分参数加以显示，并对接收和调解后的检前、检后全部遥测信号进行记录，以 便事后脱机处理。 1 3 导弹、航天器遥测系统的特点 导弹、航天器遥测系统与普通的通信系统相比具有如下特点： ( 1 ) 作用距离远，格式复杂 导弹、航天器飞行空域广，通信距离远，至少数百公里，加上遥测参数的 格式编排复杂，这样就对遥测系统的数据采集、传输，解调提供出了很高的技 术要求。 ( 2 ) 系统的可靠性高 由于导弹、航天器造价昂贵，飞行试验次数受限，每次飞行试验都要求系 统完整而可靠地获取飞行试验数据。因此，保证遥测系统的高可靠性十分必要， 除了提高遥钡4 设备的可靠性外，还采用分集接收体制和地面双热备份制，以进 一步提高系统的可靠性。 ( 3 ) 存在多种调制方式和多种复用方式 电子科技大学硕士论文 在无线电遥测系统中为适应多变的应用环境，存在多种调制方式如调幅 ( a m ) ，调频( f m ) ，二进制频移键控( 2 f s k ) ，二进制相移键控( b p s k ) 等，对于复用方式而言，采用了频分多址、时分多址、码分多址等。 ( 4 1 具有快速反应能力 在导弹、航天器发射准备阶段，遥测系统需以最快的速度完成本身状态的设 置和自检，在i i 盎发射前，要实时准确地给出状态数据，以便指挥作出是否发射的 决定。在导弹、航天器飞行过程要实时处理关键遥测数据，传送指控中心进行监 视，并作为控制的依据。 1 4 天线分集b p s k i f s k 数字接收机的特点 在数字信号处理技术高速发展的今天，无线电接收机的设计早已突破传统的 以硬件模块为核心、功能单一接收机的局限性，取而代之的是以硬件模块为平台， 以软件为核心的具有适用性、互换性和高灵活性的数字接收机。 数字接收机对不同的工作频率，不同的调制方式和不同的带宽的信号，通过 加载不同的软件来实现信号接收。接收机功能软件化，不仅增强了接收机通用性 和灵活性，同时大大减少硬件电路和模拟环节，提高接收机的可靠性。 ( 1 ) 针对遥测系统多普勒频移大的特点。我们的接收机实现了在最大多普勒频 移2 00 k h z 的情况下解调f s k 信号，而不采用传统的频率扫描的方法。 ( 2 ) 通过高采样及灵活多变的抽取率来实现在一个硬件平台上解调，码率逐比 特可变。 ( 3 ) 功能扩展可通过软件升级实现。 ( 4 ) 操作使用方便、简单。 1 5 本文完成的工作 ( i ) 进行系统设计的方案论证与仿真。 ( 2 ) 完成系统中的部分硬件设计。 电子科技大学硕士论文 第二章天线分集b p s k f s k 数字接收机的组成功能 2 1 天线分集b p s k f s k 数字接收机的功能 ( 1 ) 接收s 波段双频电信号，完成大遥测调频信号和小遥测p s k 信号的接收， 放大，下变频处理，滤波处理，分集合成，载波解调。 ( 2 ) 遥测分集接收机同时用作遥测跟踪接收机，接收遥测天线送来的跟踪角误 差调制信号，解调输出送伺服分系统，完成遥测天线的自跟踪接收。 2 2 天线分集b p s k f s k 数字接收机的技术指标 ( 1 ) 接收频率2 2 0 0 2 5 0 0 m h z ( 2 ) 传输体制f s k 或b p s k ( 3 ) 接收门坎值 a )f s k 体制接收门槛：- - 9 8d b m ( b 、胆3 3 v i j - i z ，p e = 4 1 0 。4 ) b )b p s k 体制接收门槛：一1 2 4d b m ( b w = 2 5 m h z ，p e - 3 1 0 - 4 ) c )跟踪门槛值：接收门槛值- - 4 d b ( 4 ) 数字中频：7 0 m h z ( 5 ) b p s k 码率1 k 6 4 k b p s 逐比特可变 f s k 码率l k 2 m b p s 逐比特可变 ( 6 ) 分集合成增益2 5 d b ，当左右旋极化信号强度相差6 1 0 d b 时应能关断弱的 一路信号。 ( 7 ) a g c 控制范围5 0 d b ( 8 ) a g c 时间常数：3 m s ，1 0 m s ，1 0 0 m s ，1 0 0 0 m s ( 9 ) a f c 最大频率捕获范围：2 0 0 k h z ( 10 ) a f c 环路带宽：l h z ，1 0 h z ，1 0 0 h z 2 3 天线分集b p s k f s k 数字接收机的原理 f s 刚b p s k 遥测信号具有大的多普勒频移，码率变化范围宽的特点，多普勒 频移最大可达2 0 0 k h z ，而码率从几百b p s 到2 m b p s 变化，为适应上述特点， 电子科技大学硕士论文 第二章天线分集b p s k f s k 数字接收机的组成功能 2 1 天线分集b p s k f s k 数字接收机的功能 ( 1 ) 接收s 波段双频电信号，完成大遥测调频信号和小遥测p s k 信号的接收， 放大，下变频处理，滤波处理，分集合成，载波解调。 ( 2 ) 遥测分集接收机同时用作遥测跟踪接收机，接收遥测天线送来的跟踪角误 差调制信号，解调输出送伺服分系统，完成遥测天线的自跟踪接收。 2 2 天线分集b p s k f s k 数字接收机的技术指标 ( 1 ) 接收频率2 2 0 0 2 5 0 0 m h z ( 2 ) 传输体制f s k 或b p s k ( 3 ) 接收门坎值 a )f s k 体制接收门槛：- - 9 8d b m ( b 、胆3 3 v i j - i z ，p e = 4 1 0 。4 ) b )b p s k 体制接收门槛：一1 2 4d b m ( b w = 2 5 m h z ，p e - 3 1 0 - 4 ) c )跟踪门槛值：接收门槛值- - 4 d b ( 4 ) 数字中频：7 0 m h z ( 5 ) b p s k 码率1 k 6 4 k b p s 逐比特可变 f s k 码率l k 2 m b p s 逐比特可变 ( 6 ) 分集合成增益2 5 d b ，当左右旋极化信号强度相差6 1 0 d b 时应能关断弱的 一路信号。 ( 7 ) a g c 控制范围5 0 d b ( 8 ) a g c 时间常数：3 m s ，1 0 m s ，1 0 0 m s ，1 0 0 0 m s ( 9 ) a f c 最大频率捕获范围：2 0 0 k h z ( 10 ) a f c 环路带宽：l h z ，1 0 h z ，1 0 0 h z 2 3 天线分集b p s k f s k 数字接收机的原理 f s 刚b p s k 遥测信号具有大的多普勒频移，码率变化范围宽的特点，多普勒 频移最大可达2 0 0 k h z ，而码率从几百b p s 到2 m b p s 变化，为适应上述特点， 电子科技大学硕士论文 我们采用了数字分集接收方案。接收机接收s 波段的左右旋极化射频信号，经过 缓冲扩大、滤波，两级混频至中频7 0 m h z ，直接采样中频信号。采样信号先通 过数字下变频器( d d c ) ，再经过积分梳状滤波器，f i r 滤波器进行抽取和滤波， 以达到降低数据流量和滤除高频分量的目的。f i r 滤波器输出的数据是基带信 号，对此信号我们采用最大比合并算法，将左右旋极化信号合并，提高信噪比。 最后将合并后的数据送人解调部分，同时还完成差模环，共模环锁相功能，以及 对天线角度误差计算。图2 1 是天线分集b p s k f s k 数字接收机的原理框图 输出 图2 1 天线分集b p s k f s k 数字接收机的原理框图 电子科技大学硕士论文 如图2 1 所示，天线分集接收机的两个通道的相干性是通过建立一个平衡 双锁相回路来完成的。一个锁相回路称作“内环差模环”，用来完成信号相干控 制，另一个锁相回路称作“外环共模环”，用来完成合成频率跟踪。 内环差模环经差模鉴相器闭环，该鉴相器控制两个输入中频信号之间的相位 和频率。差动误差控制信号分两路以相反的极性分别加到两个通道的数控振荡器 上，数控振荡器分别为两个接收通道7 0 m h z 的末级中频，这就使两个通道以相 反的方向被推到一个相同的公共频率上。 外环共模环工作在合成后的正交基带复信号上，合成后的信号送入调频鉴频 器，或调相鉴相器，通过自动频率跟踪或锁相环来完成闭环。共模环误差信号分 成两路，分别送入两个通道的数控振荡器上，使两个通道以相同方向被推到一个 公共的频率上，以保证相干接收。 由于在鉴频器和鉴相器之前才用了最大比合并技术，使得信道噪声被自动衰 减。随着某一信道信号强度的迅速衰落，他对应的a g c 电压下降，在最大比合 并器中，对应信道的加权系数自动减小，从而自动屏蔽了衰落信号的噪声影响。 6 电子科技大学硕士论文 3 1 概述 第三章数字中频部分方案设计与论证 由于在遥测系统中具有大的多普勒频移，和码率变化范围宽的特点，因此我 们在设计天线分集b p s k f s k 数字接收机必须充分考虑遥测系统的特点。为适 应大的多普勒频移我们采用了对信号高采样解决频率跟踪，载波同步的问题。对 于码率变化范围宽的特点，我们采用专用芯片和自行设计c p l d 结合的方法来适 应各种码率。 3 2b p s k f s k 调制与解调原理 由于各种通信方式的普遍数字化，存在很多的调制体制。在遥测、遥控中广 泛采用的是f s k 、b p s k 、q p s k 等调制体制。 3 2 1 频移键控体制 频移键控( f s k ) 传输信号为： 刚= 岳糍矧喜茹筹 c s 叫 产生频移键控信号有两种方法：一是用两个频率分别为u - 、u2 的独立振荡 器产生，这时式3 1 中的巾t 、巾2 相互独立，这种信号称为相位离散的f s k 信 号；另一种方式是由调制信号控制一个振荡器，使振荡器的频率随着调制信号 ( “1 ”、0 序列) 在。- 与u2 两个值上跃变，这时两个波形的相位是连续的， 又称为相位连续f s k 信号。在我们的系统中采用的是后者。 由式3 1 可知，二进制频移键控已调信号可看成是两个不同载频的幅度键 控已调信号之和。 式3 1 可以写成： s p ) = a j , g ( t - n t ) c o s ( c 0 1 t + 妒1 ) + d ，g o 一行i ) 】c o s ( 珊2 f + 妒2 ) ( 3 2 ) 这里】= 2 顽，2 = 2 矾，d 。是a ，的反码。 电子科技大学硕士论文 3 1 概述 第三章数字中频部分方案设计与论证 由于在遥测系统中具有大的多普勒频移，和码率变化范围宽的特点，因此我 们在设计天线分集b p s k f s k 数字接收机必须充分考虑遥测系统的特点。为适 应大的多普勒频移我们采用了对信号高采样解决频率跟踪，载波同步的问题。对 于码率变化范围宽的特点，我们采用专用芯片和自行设计c p l d 结合的方法来适 应各种码率。 3 2b p s k f s k 调制与解调原理 由于各种通信方式的普遍数字化，存在很多的调制体制。在遥测、遥控中广 泛采用的是f s k 、b p s k 、q p s k 等调制体制。 3 2 1 频移键控体制 频移键控( f s k ) 传输信号为： 刚= 岳糍矧喜茹筹 c s 叫 产生频移键控信号有两种方法：一是用两个频率分别为u - 、u2 的独立振荡 器产生，这时式3 1 中的巾t 、巾2 相互独立，这种信号称为相位离散的f s k 信 号；另一种方式是由调制信号控制一个振荡器，使振荡器的频率随着调制信号 ( “1 ”、0 序列) 在。- 与u2 两个值上跃变，这时两个波形的相位是连续的， 又称为相位连续f s k 信号。在我们的系统中采用的是后者。 由式3 1 可知，二进制频移键控已调信号可看成是两个不同载频的幅度键 控已调信号之和。 式3 1 可以写成： s p ) = a j , g ( t - n t ) c o s ( c 0 1 t + 妒1 ) + d ，g o 一行i ) 】c o s ( 珊2 f + 妒2 ) ( 3 2 ) 这里】= 2 顽，2 = 2 矾，d 。是a ，的反码。 电子科技大学硕士论文 2 1 1 概率为1 一p 0 f概率为p 吼3 1 0 概率为1 一p 1 一 f概率为i ， g ( t ) 为单个矩形脉冲。 图3 - 1 是相位不连续的2 f s k 调制器框图 n r z 图1 1 相付不谇续2 f s k 调 ；l i 从相位不连续的2 f s k 是很容易得到如图3 - - 2 所示的相位连续2 f s k 框图。 2 f s k 信号 图3 2 相位连续2 f s k 调制 连续相位2 f s k 根据频偏的大小，既可以是窄带，也可以是宽带。下面根据 图3 - - 2 分析相位连续f s k 与相位不连续f s k 信号的区别： 令图3 2 中的x ( t ) 为： x ( ，) = 吼g ( t - k t , ) a k = l k = o 频率调制所产生的相位连续f s k 信号为： o ) = a c 。s 慨，+ 臼+ j ：z ( 旯) 以 首先分析： j ：x ( 以= 薹盯* j ：g ( 咒一圮) 视 式中 鼽= _ 姑+ 1 炽 电子科技大学硕士论文 分段积分后，得： z ( 旯) d a = 日。f o t t s = a o l + a o t ) t s t 2 t s = ( d ：十吼( 卜螺) k t s t ( k + 1 ) t s j = o 则可将x 。( t ) 表示成和式： x c ( ，) = 4 c o s ( o ) 。f + 口+ 仇+ d 吼( f 一七瓦) ) ( 3 3 ) 式中t 0 仇= c o 。，t 巳 且k = 0 时中k = 0 由式3 3 可见，相位连续f s k 信号在k t 。 t ( k + 1 ) t 。期间如同相位 不连续f s k 信号一样有频偏f d ，此外它还有一个相位中k ，该相移依赖于以前的 信息，它保证了相位在所有时刻t 都是连续的。但中k 中包含的过去的系统状态 分量，大大增加了相位连续f s k 信号频谱分析的复杂性。 两种f s k 信号的功率谱计算都是十分复杂的，对于相位离散f s k 信号且当 传i 与传0 的概率相同时的功率谱密度表示式： 吣) = 争( 川( m ) 】+ 等t 鬻 2 + s i n ( f - f 2 ) 2 7 , - 2 z ( 3 4 ) 。( 厂一 ) t 2 。 式中6 ( x ) 为6 函数，t s 为数字信号的码元宽度。 式3 4 的曲线如图3 3 所示。 二 一。 图3 - - 3 相位离散f s k 信号的功率谱 在图3 3 中，f = c o 2n ，f l = u i 2 ，f ，2 = 。2 2 ，= ( f j + f i ) 2 9 电子科技大学硕士论文 f = ( f 2 f i ) 2 称为频偏；1 t 。= 为码元速度，由图3 - 3 可知f s k 信号的带宽可 取为： b = 2 a f + 2 t 。= 2 ( a f 4 - f d 相位连续f s k 功率谱的计算如下式： 州，= 等t 焉与，t 瓦纛笺筹面，2 ( 3 - - 5 ) x 是归一化频率： 。：生互 式3 - - 6 中，疋：霉善 式3 5 中，m f 为调制指数。 q ：心 ，= 2 “ j 。 其功率谱如图3 4 所示： ( 3 6 ) ( 3 7 ) 幽3 - - 4 连续相位f s k 的功率谱 由图3 4 可知相位连续的f s k 信号的带宽是很难精确计算的，但它与调制 指数有很大关系。其经验公式： 口镀量黧，裂 c ，叫 相位连续的f s k 与相位不连续的f s k 信号的解调方法是相同的，与一般解 调一样也分为相干解调与非相干解调两种，相干解调框图如图3 5 所示： o 电子科技大学硕士论文 图3 5 二进制频移键控相干解调框图 出 与一般的接收系统一样相干方式比非相干方式有3 d b 的增益，在天线分集 b p s k f s k 数字接收机系统中我们采用的是相干解调法。 在二进制移频键控制系统中，发送码元信号如式3 1 。简化的接收系统如 图3 5 所示。在图中每一系统用两个带通滤波器来区分中心角频率为q 和吐的 信号码元。现在假设带通滤波器恰好使相应的信号无失真通过，则其输出端的波 形y ( t ) 可表示成： y o ，= ：点；j ：嚣；萎耋：i 嚣 舯 胪 。巍t 晦一? 。巍瓦 式中n ( t ) 一窄带高斯过程。 采用相干接收移频信号的系统性能分析如下。 假定在( 0 ，t s ) 时间内所发送的码元为“1 ”，则这时送入抽样判决器进行 比较的两路输人波形分别为 胎印奶；? ) ( 3 _ 9 ) lx ：e ) = o ) 式中x l ( t ) 相应于5 0l 通道的输入； x 2 ( t ) 相应于。2 通道的输入。 因为1 2 ，。( t ) 及1 3 _ 。( t ) 都是高斯随机过程，故抽样值一= a + ，。是均值a 、方差 为盯：的正态随机变量；而抽样值z ：= n ：。也是均值为0 、方差为仃：的正态随机变 量。由于此时x ， x ：将造成将“1 ”码错误判决为“o ”码，故这时错误概率为 p 。为 只l = p b l x 2 ) 电子科技大学硕士论文 = p 眙+ n i 。) ”2 。 = j p 0 + 1 。一n 2 。 0 ) 令z = 日+ i ，。一, ：。，则z 也是正态随机变量，且均值为a ，方差为盯；。该盯； 为 仃；= g 一；y = 2 一。 因此，令z 的概率密度为f ( z ) 时，我们有 耻厂g 2 去驴叫协；如 1 ，rf 1 2 j 咖l 、互j 同理可求得发送“o ”错判为“1 ”的概率p 。：。显然， p 。：相等。因此，我们得到2 f s k 接收系统总误码率p 。 只= 驯压 在上述条件下，p 。与 ( 3 1 0 ) 同非相干解调一样r 代表信噪比，图3 - - 6 为2 f s k 相干解调误码率一信噪 比的仿真图。 p e d o r m a n c eo ff s kt oa w g n 1 0 0 e b ，n o ? s i m u l a t e d t h e o t i t i c 剐f o rf s k t h e o r i t i c a lf o rb p s k 图3 - - 62 f s k 误码率信噪比仿真图 3 2 2 二进制相移键控调制 二进制相移键控中，载波的相位随调制信号1 或。而改变，通常用相位0 。 或1 8 0 。来分别表示成l 或o 。二进制相移键控已调信号的时域表达式为： 广i 卜i k ；| q 了 弭“譬一 _ i 、“ 1 1 r一 铲 驴 铲 铲 ” l窖出jo!童e正 电子科技大学硕士论文 = p 眙+ n i 。) ”2 。 = j p 0 + 1 。一n 2 。 0 ) 令z = 日+ i ，。一, ：。，则z 也是正态随机变量，且均值为a ，方差为盯；。该盯； 为 仃；= g 一；y = 2 一。 因此，令z 的概率密度为f ( z ) 时，我们有 耻厂g 2 去驴叫协；如 1 ，rf 1 2 j 咖l 、互j 同理可求得发送“o ”错判为“1 ”的概率p 。：。显然， p 。：相等。因此，我们得到2 f s k 接收系统总误码率p 。 只= 驯压 在上述条件下，p 。与 ( 3 1 0 ) 同非相干解调一样r 代表信噪比，图3 - - 6 为2 f s k 相干解调误码率一信噪 比的仿真图。 p e d o r m a n c eo ff s kt oa w g n 1 0 0 e b ，n o ? s i m u l a t e d t h e o t i t i c 剐f o rf s k t h e o r i t i c a lf o rb p s k 图3 - - 62 f s k 误码率信噪比仿真图 3 2 2 二进制相移键控调制 二进制相移键控中，载波的相位随调制信号1 或。而改变，通常用相位0 。 或1 8 0 。来分别表示成l 或o 。二进制相移键控已调信号的时域表达式为： 广i 卜i k ；| q 了 弭“譬一 _ i 、“ 1 1 r一 铲 驴 铲 铲 ” l窖出jo!童e正 电子科技大学硕士论文 j ( f ) _ 口。g ( t n r , ) c o s c o 。t ( 3 1 1 ) f + 1概率为p 。1 1 概率为1 一p 因此为某个信号间隔内观察b p s k 已调信号时，若g ( t ) 是幅度为1 宽度为t 。 的矩形脉冲，则 s b 0 ) = + c o s ( - o c t = o o s 帆f + 妒，)妒，= o 或石 b p s k 调制器主要有两种：一种是相乘法，另一种是相位选择器，分别如图 3 7 所示： 已调 信号 双极性 n r z ( a ) ( b ) 图3 7( a ) 相乘法( b ) 相位选择器 当码元“1 ”、0 出现的概率相等时，b p s k 的功率谱密度可以表示成 似舻参 阿“) 1 2 + i g ( 厂一兀) 门( 3 - - 1 2 ) 式3 1 2 中，g ( f ) 为码元脉冲g ( t ) 频谱分布，对于矩形脉冲，当脉冲宽度为 t 。时， 叫m 霉署矿慨 由式3 1 2 可知b p s k 信号的谱中，不出现离散谱分量，这对b p s k 相干 检测时提取相干载波信号带来一定困难，图3 - - 8 为b p s k 信号的单边带功率谱 密度。 纛p 图3 8b p s k 信号单边功率沿密度 二进制相移键控信号的相干解调器框图如图3 - - 9 电子科技大学硕士论文 幽3 9b p s k 解调器框图 由式3 1 1 可知，数字相位调制波形可表示成为： s 。( f ) = g ( f ) c o s 2 矾f 十( m 1 ) u 】 1 m 2 o t t 。 其向量表示式可写为： s 。，= ec o s ( 万( i n 一1 ) ) ，e ；s i l l ( 石( m 一1 ) ) 】 式中 e ，= 去e 。是每个波形的能量。 接收信号波形可以表示如下： 7 蕊( f ) = c o s ( 2 万a + ( 7 ， 一1 ) 万 4 - 0 “) 式中e 。l ，是对应于信道中时间延迟造成，当使用相关解调的方法时，用锁相 环可以使载波与本地振荡器同频同相。由最佳接收机原理可知，误码率与信噪比 的关系如式3 1 3 。 圹q c 等，( 3 - - 1 3 ) q ( 、等) 为q 函数，e b 为一比特的能量，n 。为噪声功率。 图3 1 0 为b p s k 误码率一信噪比的仿真图 电子科技大学硕士论文 图3 1 0b p s k 误码率一信噪比仿真图 3 3 天线分集接收原理 3 3 1 分集的必要性 在遥测中，射频信号常常会遇到各种衰落，最常见的有以下几种： ( 1 ) 由于水，潮湿大地或金属物的反射，使得接收信号是由不同路径来的信号 的合并，又由于各个路径延时不同，所以合并信号的幅度是起伏的。 ( 2 ) 各种飞行器的发射天线都以一定的极化安装在确定的位置上。当飞行器作 机动飞行或旋转时，可产生天线方向图零点，使得发射信号的极化方向发生变化， 接收点的射频信号便产生有规律的严重衰落，甚至出现信号中断。 ( 3 ) 在飞行器发射和级间分离时，由喷气发动机喷射出的火焰使飞行器周围的 大气电离化，形成等离子区。当射频信号经过这些等离子区时，信号的幅度和极 化发生快速的变化和起伏，从而使接收点的信号产生无规律的快速随机衰落。 ( 4 ) 射频信号传输媒介发生变化( 如下雨、雷电等各种自然现象) ，形成无数个 小的反射和折射体。当射频信号经过媒介时，便产生无规律的随机衰落。研究表 明，幅度相位衰落速率为5 0 h z 2 5 k h z ，即衰落间隔为2 - 0 0 4 m s ，平均为1 1 1 1 s 。 最大概率的衰落速率为1 0 k h z ，幅度衰落深度为2 0 3 0 d b ，严重时出现零值， 信号中断，相位变化严重时会形成反相