第一章无线电系统技术基础.

软件无线电基础任课老师：杜青松信息科学与工程学院通信系统的一般组成信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。通信系统的一般组成噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。数字通信系统的组成第一章无线电技术基础6本章学习的主要内容无线电技术起源与发展1无线电系统的结构2无线电系统的实用技术3无线数字通信系统4数字无线电技术57无线电技术起源1.1无线电技术起源与发展通信是伴随人类进步的推动力烽火台旗语200多年以前现代文明还未启动，人类已经进行了大量远距离通信的探索。电的发明推动现代通信诞生电的发现与现代通信BenjaminFranklin(1706-1790)MichaelFaraday(1791-1867）SamuelMorse(1791-1872)AlexanderGrahamBell(1847-1922）“上帝创造了何等的奇迹！”电磁场电磁波理论推动无线通信的发展无线通信发展JamesClerkMaxwell(1831-1879)HeinrichHertz(1857-1894)1887年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦理论的正确性。1873年，麦克斯韦发表了电磁辐射理论，成为无线电领域中最为重要的理论基础。电磁场电磁波理论推动无线通信的发展1895年意大利发明家马可尼（Marconi）试验无线电通信成功。1901年,他成功地用莫尔斯电码跨越大西洋传输无线电信号，开创了人类对无线电技术的开发和应用。他被称为“无线电之父”。11无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展军事上：电台，雷达等民用上：广播/电视/无限通信/卫星通信等12无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展早期的雷达（英国）13无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展14无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展15无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展16无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展17无线电系统1.1无线电技术起源与发展从无线电技术的发展过程可以看到，无线电系统包括无线电通信、导航、定位、测向、雷达、遥控、遥测、广播、电视等各种无线电设备。概括而言，利用电磁波的传播进行信息传输或信息获取的电子系统都是无线电系统。18无线电系统的最简结构1.2无线电系统的结构直放式无线电系统是最为简单的无线电系统。例：一个基于语音传输的直放式无线电系统结构如下图所示：前置放大功率放大话筒发天线前置放大功率放大收天线扬声器发射端接收端19无线电系统的最简结构1.2无线电系统的结构存在两个问题：1、天线辐射效率低：当天线的有效长度接近半波长的正整数倍时，可以获得较高的辐射效率。2、不能多路传输：由于采用语音通话频带，不能同时传输多路语音信号。解决办法：采用调制/解调技术。20无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构前置放大功率放大话筒选频滤波功率放大扬声器发射端接收端调制滤波载波前置放大解调滤波载波恢复21无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构在发射端增加调制环节，在接收端增加解调环节。选用不同的载波频率可以在同一空间里同时传输多路语音信号—频分复用技术。发射机发射的信号频谱必须严格限制在所分配的频道范围内，否则将影响到相邻频道的其他无线电设备的正常使用。22无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构接收机则相反，它只能接收自己所在频道的无线电信号，否则将受到相邻频道的影响。因此在无线电系统中，必须有信号频谱的选择单元。信号频谱的选择在实际系统中是由滤波器来完成的。发射机有发射滤波器，接收机则有选频滤波器。23无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构对于无线电接收机，其天线接收到的是所需频点相邻的一定范围内的所有无线电信号，因此从天线进入接收机的信号首先要根据自己分配的频道进行选频滤波处理，以保留所需频道的信号，滤除相邻频道的信号，避免邻道干扰。此功能由选频滤波器完成。24无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构对于无线电发射机，其信号的调制是利用器件的非线性来实现的。信号经过非线性系统后，除了所需的信号成分外，还会包括许多不需要的频率成分，这些成分称为谐波失真或杂散失真。在信号发射前，必须采用滤波器将这些不需要的成分滤除，否则就会对相邻的频道造成干扰。25无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构滤波器是无线电系统中的核心器件之一，滤波器的选频特性要受到实际器件水平的限制。衡量滤波器选频能力的指标是品质因数。滤波器的品质因数：又称为滤波器Q值，用滤波器的中心频率与3dB带宽的比值来表示。滤波器Q值描述了滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。26无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构滤波器Q值越大，表明滤波器的频谱分离能力越强。由于受到实际器件工艺水平的限制，高Q值的滤波器在生产时存在着很大的困难。因此，高Q值的滤波器在实际工程中是很难实现的。因此基本结构的无线电系统存在着实际滤波器Q值限制的缺点，工程实现很困难。27无线电系统的基本结构[例1]在基本结构的无线电系统中，假定所接收的的频道2相邻有频道1和频道3，如下图所示。其中频道2的中心频率为95.6MHz，频道带宽为0.15MHz，频道间隔为0.05MHz。试计算接收机输入选频滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构28无线电系统的基本结构[例2]在基本结构的无线电系统中，假定调制信号为单频正弦信号，其频率为3kHz，载波频率为30MHz。调制方式为振幅调制。（振幅调制一般采用二极管的非线性来实现）试计算发射机输出滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构29无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构解决实际滤波器Q值限制的工程方法有两种：一种是增加相邻频道的频率间隔；另一种是降低滤波器输入信号的中心频率。前一种方法可以有效地降低发射机和接收机的实现难度，在无线电技术发展的早期非常适用，其缺点是大大降低了电磁频谱的利用率，对频谱资源造成很大的浪费。30无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构后一种方法则需要采用混频器将信号频谱搬移到较低的频率上进行再次滤波。这种方法是目前无线电系统最为常用的方法。由于混频器也属于非线性电路，因此混频器的输出也会产生很多不需要的谐波分量，需要采用滤波器进行滤除。实用的无线电系统结构如下图所示。31无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构前置放大功率放大话筒选频滤波功率放大扬声器发射端接收端调制滤波载波混频解调滤波混频滤波本振本振滤波32无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构在发射端，语音信号先经过一个频率较低的载波调制、调制后，再向上混频到发射频率。接收机接收到的信号先经过下混频到较低频率后，再解调输出。未调制的原始信号为音频、视频或基带信号。调制后或解调前的已调信号称为中频信号。最终经天线发射或接收的信号称射频信号。33无线电系统的实用结构[例3]在实用结构的无线电系统中，假定所接收的的频道2相邻有频道1和频道3，其中频道2的中心频率为95.6MHz，频道带宽为0.15MHz，频道间隔为0.05MHz。频道2接收信号经混频得到的中频信号的中心频率为10.7MHz。试计算接收机输入选频滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构34无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构为了进一步降低对滤波器实际选频特性的要求，当射频频率太高时，已调的中频信号与射频信号间的频谱搬移往往需要采用多级混频结构才能完成，这时中频信号就根据其频率的高低顺序依次称为第一中频、第二中频等。采用多级混频的方式可以大大降低系统对滤波器选频特性的要求，有利于工程实现。35无线电系统的实用结构[例4]在实用结构的无线电系统中，采用两级混频结构，假定调制信号频率和射频频率与例2相同。取载波频率为60kHz，第一级混频器输出频率为1.5MHz，第二级混频器输出频率为30MHz。试计算系统中各级滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构36无线电系统的实用结构[例4]频谱变化示意图1.2无线电系统的结构37无线电系统的常用技术1.3无线电系统的常用技术低噪声放大技术自动增益控制（AGC）技术超外差接收技术收/发双工技术38低噪声放大技术1.3无线电系统的常用技术在无线电系统中，接收灵敏度是接收机最为重要的性能指标。接收灵敏度是指在保证所要求的输出信噪比的条件下，接收机所需的最小输入功率。为使接收机能够接收更为微弱的信号，需要提高无线电接收机的灵敏度，最直接的手段是在接收机前端增加一个射频放大器。39低噪声放大技术1.3无线电系统的常用技术由于通过天线进入无线电接收机的信号都非常微弱，因此位于接收机最前端的放大器的噪声系数对整个接收机的噪声系数具有至关重要的影响。为保证整个接收机的噪声系数满足使用要求，应使所增加的射频放大器的噪声系数应尽量小，因此必须采用低噪声放大器（LNA）。40自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术在无线电接收机中，其输入的信号强度会随着与发射机之间距离的远近、信号传播信道的环境等因素的变化而变化。如果接收机的增益是固定的，则其输出信号的强度就会随着输入信号而变化，过强的输出信号会使接收机饱和，从而影响到用户的使用。41自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术在无线电接收机中，为了使其输出信号的强度保持相对稳定，接收机的增益应该随着输入信号的强度大小自动调整。这一技术称为自动增益控制（AutomaticGainControl,AGC）。自动增益控制系统的工作原理如下图所示。42自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术43自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术自动增益控制的工作原理是：可控增益放大器的输出先经过均值/峰值检测器检测出其均值或峰值，低通滤波后经直流放大器进入电压比较器，与设定门限比较后，由控制信号发生器按负反馈的原则产生控制电压，从而控制可控增益放大器的增益，以保持其输出信号电平基本不变。44超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术在基本结构及实用结构的无线电系统中，无线电接收机接收不同的信道时，其选频滤波器的中心频率就要跟随信道而变化。这时，如果混频器的本振频率不变，则其输出的中频频率也会相应改变，其后的滤波器的中心频率也需要相应调整，从而使得接收机结构复杂化。解决方案：超外差接收技术。45超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术超外差无线电接收机的系统结构如下图所示：46超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术在超外差接收机中，其中频频率是固定不变的，因此就要求其本振频率和选频滤波器的中心频率能够同步改变，以接收不同频率的信号。这种接收技术称为外差技术。当取中频频率低于射频频率且高于信号带宽时，就称为超外差技术。超外差技术的优点：灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部分可标准化等。47收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线通信的工作方式：单工通信指通信双方电台交替地进行收信和发信，根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。同频(单频)单工：双方收发使用同一工作频率异频(双频)单工：双方收发使用两个频率单工通信通信双方电台交替地进行收信和发信。单工方式同频单工双频单工TRf1f1(f2)B同频单工：收发均采用f1双频单工：收发分别采用f1和f2发话器受话器发射机接收机ATRf1f1(f2)图1-3同频（双频）单工方式Play49收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线通信的工作方式：半双工通信指通信的双方有一方在通信的过程中既能发射信号也能接收信号（同时进行），而另一方只能是单工工作。半双工通信通信双方中，一方使用双工方式，即收发信机同时工作；另一方使用双频