航天遥测系统PPT课件.ppt

第5章航天遥测系统 5 1遥测系统概述 1遥测技术 对被测量对象的参数进行远距离测量的 并把测量结果传送到接收地点的一种测量技术 能完成整个遥测过程的设备组合称为遥测系统 2遥测系统组成 遥测是通过遥测系统进行的 遥测系统由三部分组成 1 输入设备 包括传感器和变换器 传感器把被测参数变成电信号 变换器把电信号变换成适合于多路传输设备输入端要求的信遥测技术号 2 传输设备 是一种多路通信设备 它可以是有线通信或无线电通信 既可传输模拟信号也可传输数字信号 目的是把输入设备输入的信号不失真地传到终端 3 终端设备 它的功能是接收信号 对信号进行记录 显示和处理 以获得测量结果 2020 3 21 1 3航天测控系统基本原理 航空航天遥测系统可分为飞行器遥测设备 系统 和地面遥测设备 系统 前者主要由遥测技术传感器 多路组合调制器 发射机和天线组成 后者主要由接收机和天线 分路解调器等组成 传感器的功能是感受被测参量并转换成电信号 各传感器的输出信号 及其他需经遥测系统传送的信号 同时送入多路组合调制器 各路信号按一定体制组合起来 互不干扰地通过同一个无线电信道传送出去 多路组合调制器输出的信号调制发射机的载波 通过天线发射出去 接收端天线接收信号后送入接收机 接收机把组合信号解调出来 再经分路解调器恢复各路原始信息 加以记录 处理和显示 现代广泛应用的信号组合体制有时分制和频分制两种 2020 3 21 2 1 时分制按时间顺序来区分通道 采样开关按顺序对各路信号巡回采样 形成图2b中阴影条所示的一个综合脉冲序列 接收端的分路解调器的分路开关与发送端的采样开关同步工作 把各路信号分开 如果脉冲序列中脉冲幅度反映被测参数 则称脉冲幅度调制 PAM 如果采样脉冲的宽度或位置反映被测参数 则称为脉冲宽度调制或脉冲位置调制 PDM PPM 如用一组编码来反映被测参数 则称脉冲编码调制 PCM 这种脉冲序列调制到发射载波上的方式可以是频率调制 FM 相位调制 PM 和幅度调制 AM 中的任何一种 时分制遥测系统常用的方式是PAM FM和PCM FM 时分制多用于被测信号较多而变化缓慢的缓变参数的测量 其中PCM体制的应用更为广泛 2020 3 21 3 3 频分制按不同的频率来区分通道 各路被测信号对各自的副载波调制 将这些调制后的信号相加得到图3b所示的频谱 这一组合信号再去调制载波 经天线发出 在接收端经载波解调后 用一组滤波器滤出各路副载波 再各自解调出信号 同样 组合信号对发射载波的调制也可以采用上述三种方式中的任何一种 频分制遥测系统中常用的是FM FM体制 频分制多用于被测信号较少且变化较快的速变参数的测量 2020 3 21 4 4航天遥测特点被测参数多 系统复杂 作用距离远 格式复杂 采用的新技术多 系统可靠性要求高 实时性强 2020 3 21 5 5应用遥测不仅为了获得数据 而是要为遥控目标物体提供实时数据 常和遥控结合在一起 遥测作为一门综合技术 随着电子技术的发展而迅速发展 应用十分广泛 在宇宙探索中 遥测技术帮助了解太阳系遥远天体上的气温 大气构成和表面情况 投放在敌方的遥测仪器能传回许多情报 取得导弹和飞机的飞行数据 收集核试验情况也要靠遥测技术 在工业上遥测技术使许多庞大的系统高效安全运行 如电力 输油 输气系统 城市自来水 煤气和供暖系统等 在研究动物的生活习性中 遥测技术也是有力的手段 动物带上有传感器的发报机后 在实验室就可研究野外动物的动态 遥测技术也用在医学上 如测定宇航员和登山队员身体情况 医术高明的大夫利用遥测技术能为偏僻地区的病人服务 2020 3 21 6 5 2遥测信号调制基本理论 在遥测系统中 信号调制的主要目的 1 把遥测信号调制到射频载波上 以便通过天线向空间辐射 2 实现多路复用 2020 3 21 7 5 3信道编码与扩频调制 1编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程 用预先规定的方法将文字 数字或其他对象编成数码 或将信息 数据转换成规定的电脉冲信号 编码在电子计算机 电视 遥控和通讯等方面广泛使用 编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程 解码 是编码的逆过程 2遥测常用码型 2020 3 21 8 数字 数字 编码类型TypesofDigitaltoDigitalEncoding 单极性码 单电平 非零电平代表一种信号逻辑状态 零电平代表另一种极性码 双电平 正电平代表一种信号逻辑状态 负电平代表另一种双极性码 多电平 无线路信号代表一种信号逻辑状态 正电平和负电平交替代表另一种 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 9 单极性编码UnipolarEncoding 传送数字信号最简单的方法只用一个电平即可表示两个二进制数字 通常0是用零电平即空闲的线路状态表示 注 脉冲的极性指其电平的正负 单极性 得名于它的电平只有一 极 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 10 极性编码TypesofPolarEncoding 采用两个电压值编码 一个正电压 一个负电压 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 11 不归零编码NonreturntoZero NRZ 不归零电平编码 NRZ L 负电平用于表示一个二进制值 正电平用于表示另一个二进制值由比特值决定信号的电平 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 12 不归零编码NonreturntoZero NRZ 不归零反相编码 不归零1制 NRZI 用一个比特间隔开始时是否出现电平跳变表示1或0 属于差分编码 可靠性更好 比特值决定正负电压之间是否跳变 而非决定电平正负 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 13 可编辑 差分编码DifferentialEncoding 数据由电平变化而非电平高低表示 检测信号跳变比检测信号电平高低更可靠 在复杂传输系统中 信号的正负极性可能失去意义 如在一条多支路双绞线线路上 当双绞线与某相连设备引脚的接线接反时 如果采用NRZ L编码 所有的0和1都将颠倒 采用差分编码则不会出现这种颠倒现象 14 不归零码 问题及应用Problems ApplicationsforNRZ 对工程师而言 实施容易 能充分利用带宽 仍含有一定的直流分量 且缺乏同步能力 因其简单性和较低的频率响应特性 常用于终端设备 接口和数字磁记录 信号传输中则不常单独用之 应用实例 连接优盘的USB串行接口通常使用NRZI作为信号的编码 为了解决一长串连续比特0引起的同步问题 采用了所谓 位填充技术 即在连续传输6个比特0的情况下强行插入一个比特1 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 15 USB接口NRZI编码与位填充示意图 说明 USB接口使用的NRZI编码规则是遇到比特0时发生跳变 遇到比特1时保持不变 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 16 归零编码RZEncoding 归零编码使用两组电平值 正 零 负 零信号变化不是发生在比特之间而是发生在每个比特内 在每个比特间隙的中段 信号将归零 比特 1 实际上是用正电平跳变到零表示 比特 0 则用负电平跳变到零表示 而不是仅仅通过电平的正负来表示 在每个比特内产生信号变化可以解决同步问题 但这种编码方案中每比特需要两次信号变化 从而占用了更多的带宽 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 17 归零码 在40G传输技术中的应用 目前 绝大多数的信号均采用了非归零码 NRZ 的编码方式 这种方式可以降低信号的谱宽 但由于占空比较大 前后脉冲的间隔较小 较容易发生重叠 造成码间串扰 而归零码 RZ 的占空比通常只有普通非归零码的34 67 拉开了相邻脉冲的间隔 在信号平均能量不变的基础上 大大提高了峰值功率 为接收端提供了更高的光信噪比 同时也提高了对光纤中极化模色散造成的时延的抵抗能力 朗讯科技公司在其最新的40G远距离传输技术采用了一种称为载波抑制的归零码调制技术 CSRZ 该技术可以最大程度地减小编码造成的频谱展宽 同时保留了归零码所拥有的一切优点 资料来源http www c 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 18 双相位编码BiphaseEncoding 解决同步问题的最佳方案信号在比特间隔中发生改变但并不归零现代网络中常用的双相位编码方式 曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 19 曼彻斯特和差分曼彻斯特编码ManchesterandDiff ManchesterEncoding 莆田学院现代教育技术中心2005年9月 20 可编辑 曼彻斯特编码ManchesterEncoding 每个比特间隔的中间位置处都存在一个跳变 这种中间处的跳变既含有时钟信息 也含有数据信息 从低到高的跳变代表1 从高到低的跳变代表0 注意有些系统也可能相反 21 可编辑 差分曼彻斯特编码DifferentialManchesterEncoding 比特间隔中间位置处的跳变仅含有时钟信息 在比特间隔开始处如果出现跳变表示0 如果没有跳变表示1 22 3信息传递过程中信息编码和信道编码 信源编码是对视频 音频 数据进行的编码 即对信息进行编码以便处理 而信道编码是指在信息传输的过程中对信息进行的处理 信源编码信号 例如语音信号 频率范围300 3400Hz 图象信号 频率范围0 6MHz 基带信号 基带 信号的频率从零频附近开始 在发送端把连续消息变换成原始电信号 这种变换由信源来完成 信道编码信号 例如二进制信号 2PSK信号 已调信号 也叫带通信号 频带信号 这种信号有两个基本特征 一是携带信息 二是适应在信道中传输 把基带信号变换成适合在信道中传输的信号完成这样的变换是调制器 2020 3 21 23 一 信源编码信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率 即通常所说的数据压缩 码元速率将直接影响传输所占的带宽 而传输带宽又直接反映了通信的有效性 作用之二是当信息源给出的是模拟语音信号时 信源编码器将其转换成数字信号 以实现模拟信号的数字化传输 模拟信号数字化传输的两种方式 脉冲编码调制 PCM 和增量调制 M 信源译码是信源编码的逆过程 1 脉冲编码调制 PCM 简称脉码调制 一种用一组二进制数字代码来代替连续信号的抽样值 从而实现通信的方式 由于这种通信方式抗干扰能力强 它在光纤通信 数字微波通信 卫星通信中均获得了极为广泛的应用 2 增量调制 M 将差值编码传输 同样可传输模拟信号所含的信息 此差值又称 增量 其值可正可负 这种用差值编码进行通信的方式 就称为 增量调制 DeltaModulation 缩写为DM或 M 主要用于军方通信中 二 信道编码数字信号在信道传输时 由于噪声 衰落以及人为干扰等 将会引起差错 为了减少差错 信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分 监督元 组成所谓 抗干扰编码 接收端的信道译码器按一定规则进行解码 从解码过程中发现错误或纠正错误 从而提高通信系统抗干扰能力 实现可靠通信 2020 3 21 24 信道编码通常按信源序列处理方式的不同分为分组码和卷积吗两大类分组编码是按照代数规律构造的 故又称为代数编码 其编码原理框图见图2 1 将k个信息比特编成n个比特的码组 每个码组的r n k个监督码元仅与本码组的k个信息位有关 而与其他码组无关 一般可用 n k 表示 n为码长 k表示信息位数目 R k n为分组码的编码效率 4R S分组编码 2020 3 21 25 5卷积码 卷积码由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列 卷积码中编码后的n个码元不但与当前段的k个信息有关 而且与前面N 1段的信息有关 编码过程中相互关联的码元为Nn个 其纠错能力随着N的增加而增大 而差错率随着N的增加而呈指数下降 在同样的复杂度下卷积码可以比分组码获得更大的编码增益 2020 3 21 26 卷积码至今未找到如此严密的数学手段 把纠错性能与码的构成有规律地联系起来 目前大都采用计算机来搜索好码 卷积码虽然可以采用适用于分组码的门限译码 但性能不如Viterbi译码和序列译码 卷积码是一种对付突发错码的有效编码方法 通常记作 n k N 它将k个信息比特编为n个比特 即编码效率为Rc k n N为约束长度 也就是说该编码器有Nk个移位寄存器 n个模2加法器 n个移位寄存器为输出 2020 3 21 27 卷积码编码器的结构如图 整个编码过程可以看成是输入序列与由移位寄存器和模二和连接方式所决定的另一个序列的卷积 28 6遥测信道编码的具体应用 2航天遥测系统要求不高于10 5误码率 1CCSDS国际标准规定遥测信道编码规范为 以编码效率为1 2或1 3 编码约束长度N 7 采用8电平软判决 维特比最大拟然译码的卷积为内码 2020 3 21 29 7扩频调制 航天遥测中广泛采用的另一个技术是扩频调制 扩频 将数据信号介入带有白噪声特性的伪随机序列进行传输 使传输带宽较原数据所需最小带宽大到数百 上千万倍以上 称为扩频 其主要作用提高系统的干扰性能 能实现码分多址 按结构和调制方式 大体分为以下几类 1 直接序列扩频 DS SS Direct sequence spreadspectrum 并包括CDMA 码分多址 2 跳频 FH Frequency Hop 并包括慢跳频 SFH CDMA和快跳频 FFH 系统 3 载波意义上的多址 CSMA 扩频 4 时跳扩频 TH Time Hop 5 线性调频 鸟声信号 bird sound 6 混和扩频方式 扩频调制基本方式主要包括直接序列扩频 DS或DS SS 跳频扩频 FH 扩频通信可实现多用户同时共享公用信道来传输信息 此种技术称作码分多址 CDMA 2020 3 21 30 直接序列扩频调制原理 1 第一种码分直扩系统构成的简单框图如图所示 在这种系统中 发端的用户信息数据ai首先与其对应的地址码Wi相乘 或模2加 进行地址码调制 再与高速伪随机码 PN码 相乘 或模2加 进行扩频调制 进行了两次调制 在收端 扩频信号经过由本地产生的与发端伪随机码 完全相同 包括码型和相位相同 的PN码解扩后 再与相应的地址码 Wk Wi 进行相关检测 得到所需的用户信息 rk ai 31 5 4多路复用体制与常用遥测系统 在遥测系统的一条信道中同时传送几十到几百路信号 为使接收方能正确地将这些信号解调出来 必须对信号进行划分 信号划分也称信道多路复用 在遥测系统中 应用最为广泛的信号划分方法有FDM TDM CDM等几种 2020 3 21 32 1多路复用技术 多路复用技术是一种将两个或多个彼此独立的信号合并为一个复合信号 在一条公用信道上进行传输的方法 允许两个或多个信源共享一个传输介质 运用多路复用器 包括复合 传输 分离三个过程 33 2频分复用技术FMDFMD是用频率分割信道的方法将信道传输频率带分成若干个较窄的子频带 每个子频带构成一个子通道 独立传输一路信号的技术 34 1 频分复用技术FMDFMD是用频率分割信道的方法将信道传输频率带分成若干个较窄的子频带 每个子频带构成一个子通道 独立传输一路信号的技术 这种技术相当于把共享信道的总通频带在频率域上进行固定划分而形成若干个子信道 也称为逻辑信道 在相邻两个频率段之间设立一定的间隔作为保护带 警戒带 以保证各个频带互相隔离不会交叠 35 频分复用技术FMD FMD的实现过程 36 2 频分复用技术FMD应用主要用于电话和电缆电视 CATV 系统 被复合的各路信号必须是模拟信号 在信源的如果是数字信号 先转换成模拟信号再复合 37 4时分复用技术 TDM TDM是用时间分割信道的方法将传输信道按时间分成若干个时隙 时间片 轮流分配给多个信源