无线电测控系统的主要

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1、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：86418070Email: 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 n 空 间 传 输 距 离 方 程n 影 响 传 输 距 离 的 主 要 因 素 ：q 发 射 功 率q 工 作 频 率q 发 射 天 线 增 益q 接 收 天 线 增 益 q 接 收 机 带 宽q 接 收 灵 敏 度q 各 种 损 耗 )(4/)( 22r2 MLPGGPR rtt 安 全 裕 量 M： 2 4倍 （

2、 3 6dB） 3 6.1.1 发 射 功 率n 发 射 功 率 是 影 响 系 统 作 用 距 离 的 因 素 之 一 。n 受 体 积 、 重 量 、 电 磁 环 境 等 条 件 限 制 ， 发 射功 率 不 宜 太 大q UHF（ 特 高 频 ） 频 段 最 大 功 率 一 般 不 超 过 20Wq SHF（ 超 高 频 ） 频 段 最 大 功 率 一 般 不 超 过 15Wn 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 。 4 330 KHz G

3、round Long-range radio navigation30300 KHz Ground Radio beacons andnavigational locators300 KHz3 MHz Sky AM radio330 MHz Sky Citizens band (CB),ship/aircraft communication30300 MHz Sky andline-of-sight VHF TV, FM radio300 MHz3 GHz Line-of-sight UHF TV, cellular phones, paging, satellite330 GHz Line-

4、of-sight Satellite communication 30300 GHz Line-of-sight Long-range radio navigation 5 6.1.2 发 射 天 线 及 馈 线n 1. 发 射 天 线q 遥 测 发 射 天 线 选 型 根 据 性 能 、 频 段 、 气 动 外 形 。q 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 。q 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

5、天 线 等 。q 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 ， n 理 想 完 全 匹 配 为 1， 一 般 不 大 于 2；n 对 于 窄 带 单 点 频 天 线 ， 电 压 驻 波 比 不 大 于 1.5。q 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 n 2. 馈 线 设 计q 在 可 能 的 条 件 下 ， 尽 量 选 用 低 损 耗 电 缆 。q 在 使 用 天 线 共 用 器

6、 或 功 率 分 配 器 时 ， 应 做 精 细设 计 。n 天 线 共 用 是 多 个 发 射 机 共 用 天 线 ，n 功 率 分 配 器 是 单 个 发 射 机 使 用 多 个 天 线 单 元 。n 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 n 1. 天 线 增 益q 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 ；

7、（ 链 路 预 算 问 题 ）q 进 而 确 定 天 线 的 形 式 和 口 径 ；q 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 ； q 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 n 2. 波 束 宽 度 和 跟 踪 精 度q 天 线 形 式 连 同 天 线 的 波 束 宽 度 确 定 。q 遥 测 与 雷 达 天 线 （ 定 位 、 测 距 功 能 ） 不 同 ；q 遥 测 系 统 ， 以 接 收 数 据 为 目 的 ， 对 天 线 的

8、 跟 踪精 度 要 求 不 高 ， 天 线 波 束 宽 度 可 适 当 放 宽 。n 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；n 雷 达 定 位 ： 天 线 跟 踪 角 误 差 小 于 天 线 波 束 宽 度 的1/100q 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 n 3. 常 用 的 遥 测 天 线n (1) 八 木 天 线q 八 木 天 线 又 称 引 向 天 线 或 波 道 型 天 线 ， 在 遥 测系 统

9、 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 表振子元数半功率波束宽度/（）增益/dB前后辐射比/dB带宽/（f0%）20.5H 20.5E2 180 75 6 10 103 110 68 7 10 84 78 56 9 10 86 60 56 10.5 10 68 36 34 12.5 18 6 12 34 32 14.5 18 5水 平 平 面 垂 直 平 面 FBR 11 半 功 率 波 束 宽 度 水 平 辐 射 分 布 图 ( horizonta

10、l / 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 13 n 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 。n 在 遥 测 系 统 中 ， 八 木 天 线 一 般 设 计 成 互 相 垂 直 的 两组 天 线 ，

11、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 。n 一 般 情 况 下 ， 八 木 天 线 振 子 数 最 多 可 达 12根 ， 增 益达 14.515dB。n 八 木 天 线 可 单 个 使 用 ， 也 组 成 四 元 高 增 益 天 线 阵 。n 八 木 天 线 的 缺 点 是 带 宽 较 窄 ， 一 般 仅 为 中 心 频 率 的4 10 ； 旁 瓣 电 平 较 高 ， 约 为 -10-14dB。 n 八 木 天 线 主 要 参 数 的 计 算 公 式 如 下 ： 3)-(6 546050 2

12、)-(6 10710 212150 /. )L/()L/)( /L)lg(G 14 n (2) 背 射 天 线q 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q 辐 射 方 向 和 普 通 端 射 天 线 相 反 ， 称 背 射 天 线 。q 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 。q 短 背 射 天 线 的 增 益 约 为 8.517dB， 旁 瓣 电 平 低20dB左 右

13、 q 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 。q 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 2/15.0 )/30000( /60GLG 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 n (3) 抛 物 面 天 线q 抛

14、 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 。q 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

15、能 要 求 ： n 在 S频 段 上 ， 要 求 频 带 宽 度 大 于 l00MHz，n 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 。q 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 n 式 中 D抛 物 面 天 线 口 径 ；n 天 线 效 率 ， 般 为 50 65n D/ 60时 ， 抛 物 面 天 线 效 率 达 到 最 佳 值 。 )(/70 )/(lg1

16、05.0 2DDG 18 6.1.4. 接 收 系 统 等 效 噪 声 温 度 n 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 ： q 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 ；q Tn 外 部 噪 声 温 度 Ta 内 部 噪 声 温 度 Tr q 1. 外 部 (天 线 )噪 声 温 度 Ta 0 ini BkTBNN seatska TTTT 19 nT nTq 2. 内 部 噪 声 温 度 Tr q 3.

17、LNA输 入 端 等 效 噪 声 温 度q 4. 天 线 输 出 端 等 效 噪 声 温 度q 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/T n为 )/(/ rcan TLTGTG rcan TLTT / rcn TLTT )1( 54321 TTTTTTT cr 20 6.1.5 接 收 系 统 灵 敏 度 n 中 频 带 宽 要 适 度 。 在 遥 测 雷 达 接 收 机 中q 射 频 信 号 ： 从 天 线 接 收 的 未 混 频 前 的 信 号

18、 ， 即 载 频 工作 频 率q 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 ；q 视 频 信 号 ：n FM： 中 频 信 号 鉴 频 后 低 频 段 基 带 信 号n AM： 经 包 络 检 波 后 得 到 的 零 中 频 信 号 n 数 字 下 变 频 ： 中 频 经 A/D采 样 后 成 为 的 零 中 频 信 号n 鉴 频 输 出 信 噪 比n 系 统 门 限n 误 码 率 的 估 算6.1.6 接 收 机 动 态 范 围 budiid RfFBNSNS /)/()4/3()/()/( 2/1 bi

19、nniinr REkTNSBkTP )/()/( )/(2/12/1 2/1de NSerfcP 21 6.1.7 各 种 损 耗 的 考 虑 n 传 播 环 境 对 信 号 的 损 耗 是 影 响 传 输 距 离 的 重 要 因 素 。n 环 境 影 响 带 来 的 信 号 损 耗 主 要 有 ：q 大 气 吸 收 损 耗q 雾 、 云 、 雨 、 雪 天 气 对 信 号 的 影 响q 对 流 层 吸 收 衰 减q 法 拉 第 旋 转 损 耗 等 q 除 大 气 吸 收 损 耗 外 ， 其 它 损 耗 数 值 较 小q 环 境 总 损 耗 按 0.51dB取 值n 计 算 传 输 距 离 时

20、 ， 还 要 考 虑 ：q 发 收 馈 线 的 衰 减 和 极 化 衰 减 ， 并 留 有 足 够 的 安 全 余 量q 遥 测 接 收 机 采 用 分 集 接 收 技 术 ， 极 化 衰 减 按 0.51dBq 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 n 遥 控 系 统 指 令 差 错 率 包 括 以 下

21、三 个 方 面 ：n （ 1） 漏 指 令 概 率q 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 。n （ 2） 虚 指 令 概 率q 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 。 n （ 3） 误 指 令 概 率q 控 制 端 遥 控 设 备 发 出 Kj指 令 ， 由 于 噪 声 或 外 部 干 扰 ，

22、 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 n 遥 控 信 道 本 身 误 码 率 一 般 为 10-410-6n 对 导 弹 、 航 天 器 遥 控 要 求q 指 令 错 误 率 一 般 在 10-8以 下 。q 漏 指 令 概 率 P漏 110-6（ 信 噪 比 Eb/N0=16dB）q 误 指 令 概 率 P误 110-8（ 信 噪 比 Eb/N0=16dB） 25 n 设 某 航 天 器 指 令 译 码 器 的 基 本 参 数 是 ：q 指 令 帧 长 度 96bit， 其 中 有 效

23、 指 令 码 位 236bitq 指 令 字 的 码 距 4q 上 行 信 道 误 码 率 Pe=10-5n 指 令 译 码 准 则 是 ：q 地 址 同 步 字 识 别 准 则 ： 16bit中 至 少 15bit符 合q 方 式 字 检 出 准 则 ： 4bit为 一 段 ， 只 要 一 段 检 出 即 可q 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 n 从 检 验 角 度 看 ， 遥 控 系 统 的 主 要 技 术 指

24、 标 可 分 为两 类 ： 一 类 是 可 检 验 的 ； 另 一 类 是 不 可 检 验 的 。q 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 n 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

25、 类 。n 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 。n 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 n 天 线 增 益n 天 线 增 益 的 测 试 环 境q 天 线 测 试 场 ： 室 外 环 境 及 大 型

26、天线n 距 离 限 制n 天 线 高 度 限 制q 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 。 n 宽 和 高 限 制n 矩 形 暗 室n 锥 形 暗 室 29 n 天 线 增 益 测 试 方 法n 增 益 标 准 定 标 ： 标 准 天 线 测 定 ；n 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

27、 率 增 益 。 q 测 试 条 件 ： 绝 缘 、 转 台q 数 据 处 理 ： 多 次 平 均 q 圆 极 化 增 益 计 算 1. 用 两 个 完 全 一 样 的 未 知 增 益 天 线2. 也 可 以 一 个 天 线 增 益 已 知 )lg(10)4lg(2021 rFBA PPRGG srsr PPGdBG )( )lg(10 rHrVr GGG 30 6.2.2 接 收 机 灵 敏 度 测 试 n 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 q 频 率 捕 获 灵 敏 度 ： 接 收 机 稳 定 捕 获 的 最 小 输 入 信号

28、 功 率 电 平 。 是 否 稳 定 地 捕 获 都 以 锁 定 指 示 为 判据 。 q 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 n 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

29、 为 频 率 捕 获 灵 敏 度 。n 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 。 n 灵 敏 度 也 可 用 相 应 的 最 小 接 收 信 号 功 率 表 示 。n 接 收 机 灵 敏 度 vs 整 机 灵

30、 敏 度 32 灵 敏 度 测 试 原 理 33 n 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=1.3806505 10-23 J/K ， N0=kT (单 位 ：dBm/Hz） ， N=N0Bn 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 n 测 试

31、条 件q 测 试 是 在 微 弱 信 号 下 进 行 的 。q 无 电 磁 干 扰 信 号 的 环 境 中 ， 必 要 时 在 屏 蔽 室 内 。q 所 有 的 测 试 仪 器 和 被 测 设 备 均 有 良 好 的 接 地 。q 环 境 条 件 、 电 源 条 件 、 仪 器 条 件 。n 频 率 、 码 型 、 码 率 、 帧 结 构 等 一 致 ，n 同 步 比 对 统 计 特 性 ；n 一 般 要 求 大 于 2个 数 量 级 的 累 计 测 试 ；n PCM-FM遥 测 系 统 误 码 率 测 试 n PCM-PSK-PM遥 测 系 统 误 码 率 测 试 n PCM-QPSK遥 测

32、 系 统 误 码 率 测 试 ， 需 要 矢 量 信 号源 35 PCM-FM系 统 误 码 率 测 试 原 理 图 36 6.2.4 遥 控 误 指 令 率 测 试 n 遥 控 系 统 漏 、 误 指 令 概 率 的 测 试 属 于 不 可 检 验 指标 测 试 的 范 畴n 主 要 靠 严 格 评 审 设 计 方 案 和 控 制 生 产 质 量 来 保 证n 也 可 用 等 效 方 法 来 做 最 大 限 度 的 验 证 ： 将 不 可 检验 指 标 从 理 论 上 等 效 分 解 成 几 个 可 检 验 指 标 ， 或改 变 某 技 术 状 态 或 条 件 将 不 可 检 验 指 标 等 效 成 可检 验 指 标 ， 从 而 使 该 指 标 在 某 种 程 度 上 得 以 验 证 。 37 6.2.5 可 靠 性 测 试 n 试 验 目 的 n 试 验 方 案 的 确 定n 试 验 应 力 和 试 验 周 期 n 合 格 判 据 ： 故 障 加 权 、 合 格 判 决 38