第6章基于无线通信的测控技术

1第6章基于无线通信的测控技术主要内容无线通信技术基本原理模拟信号的调制数字信号的调制信号的解调无线电波的发射与接收无线通信系统典型应用6.1无线通信技术基本原理信号源发射器（调制）接收器（解调）目标信号基带调制信号信道（无线电、铜线或光纤）基带单工通信系统的原理单工通信系统:通信只有一个方向，及从发射器到接收器，广播系统即属于此例6.1无线通信技术基本原理全双工通信:普通的电话即是全双工通信的例子。这个系统的构成需要两个发射器、两个接收器以及通常情况下的两个信道终端发射器（调制）接收器（解调）发射器（调制）接收器（解调）终端基带基带调制信号调制信号两个信道（或两个信号在一个信道上复用）全双工通信系统6.1无线通信技术基本原理半双工通信:民用波段（CB）无线电台进行交谈即是半双工通信的例子。半双工系统使用同一信通进行双向通信，节省了带宽。不过，它牺牲了全双工通信所体现出的一些自然性。半双工通信系统终端发射器（调制）接收器（解调）发射器（调制）接收器（解调）终端基带基带收/发开关信道6.1无线通信技术基本原理当有多个用户同时使用时，或者当两个用户相距遥远，彼此不能直接通信时，就需要其他形式的网络终端终端终端终端集线器星型网络蜂窝电话和个人通信系统（PersonalCommunicationSystem，PCS）都有精心布置的中继站网络6.2模拟信号的调制调制——对一个适宜在信道传播的射频载波，用所要发送的信号按一定规律去控制载波的某个参数，从而把要发送的信号寄托在所选定的参数上，然后发送已调制载波，达到传送消息的目的。6.2模拟信号的调制调制的作用1.已调波具有频率高、相对带宽窄和各路信号不重叠的特点，易于电磁波发射及多路频分复用，减少噪声和干扰的影响。2.在接收端易于分离和恢复信号。3.利用调制可以把信号变换到易于满足现有器件对信号设计要求的频率上，克服了元器件的限制。6.2模拟信号的调制调制器的模型调制器()mt()ct()st其中为调制信号或基带信号，为载波，为已调波信号。()mt()ct()st6.2模拟信号的调制调制方式分类1.按调制信号的不同：模拟调制和数字调制。为连续变化的模拟量时为模拟调制；为离散的数字量时为数字调制2.按载波的不同：连续载波调制和脉冲载波调制。连续正弦波时为连续载波调制；为离散脉冲时为脉冲载波调制6.2模拟信号的调制3.按调制信号改变载波参数的不同①幅度调制：改变的振幅参数，如普通调幅AM、单边带调幅SSB、脉冲振幅调制PAM、振幅键控ASK等②频率调制：即改变的频率参数，如调频FM、脉冲频率调制PFM、移频键控FSK等③相位调制：即改变的相位参数，如调相PM、脉冲相位调制PPM、移相键控PSK等调制中广泛用到的运算是模拟乘法运算。它可以看作一种频率的搬移，其电路也称为频率变换器或变频器（FrequencyConverter，FC）。6.2模拟信号的调制频率变换器乘法器()mtcosct()st()ht6.2.1幅值调制幅度调制（AmplitudeModulation）按已调波信号频谱结构的不同，可分为：1.普通调幅AM2.抑制载波的双边带调制DSB（DoubleSideband）3.抑制载波的单边带调制SSB（SingleSideband）1.AM调幅6.2.1幅值调制00()(),()cos()cftAmtct时域表达式为00()()()[()]cos()AMcstctftAmttAM调制系统框图()AMst()mt()ct0()Act0A6.2.1幅值调制2.双边带调制()()cosDSBcstmtt频率表达式[()()]()2ccDSBMMS如果输入的基带信号没有直流分量，输出信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称为双边带抑制载波（DoubleSideband-SuppressedCarrier，DSB—SC）调制信号6.2.1幅值调制DBS信号的波形及频谱双边带调制抑制了载波，提高了调制效率，但已调信号的带宽仍与调幅信号一样，是基带信号带宽的两倍。t0()DSBstt0()mt00()Mmmcm()DSBScmcmcm6.2.1幅值调制3.单边带调制只产生一个边带的调制方式称为单边带（SingleSideband，SSB）调制。SSB可以在DSB基础上利用边带滤波器实现，利用低通滤波器（LPF）可取用下边带（SSB-LSB），利用高通滤波器（HPF）可取用上边带（SSB-USB）6.2.1幅值调制理想低通滤波器传递函数1||()0||cSSBcH下边带信号频谱是该LPF传递函数与DSB频谱的乘积1()[()()]()(1)2SSBccSSBSMMH6.2.1幅值调制对式（1）进行傅立叶反变换sin()()[()cos]()()cos(2)ccSSBccctstmttSatmttt将式（2）写成数学卷积表达式，并根据三角函数关系sin()()()cos[]()11()1()sincos2(3)211()cossin22cSSBccccctstmdtmmtddttmtdt6.2.1幅值调制1()1ˆ()[()]()mdmtHmtmttt式（3）中，是的希尔伯特变换。()mt1()1cos2()cos21()1sin2()sin2ccccmdmttttmdmtttt1[()cos2]()cos2()sin21[()sin2]()sin2()cos2ccccccHmttmttmtttHmttmttmttt可得11ˆ()()sin()[sinsin2coscos2]2211ˆ()cos()sin22SSBcccccccstmttmtttttmttmtt6.2.1幅值调制上边带SSB信号的时域表达式为11ˆ()()cos()sin22SSBccstmttmttSSB可用如图所示的平衡调幅器完成()SSBst()mt90°相移晶体振荡器cosctsinctˆ()mt()mt()hH6.2.1幅值调制6.2.2频率调制用调制信号去改变载波的频率参数或相位参数，使之随调制信号的变化规律而变化，这一过程称为频率调制FM（FrequencyModulation）或相位调制PM（PhaseModulation）。由于频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故又把频率调制和相位调制统称为角度调制（AngleModulation）。6.2.2频率调制频率调制的特点已调波频谱与基带信号频谱之间不再保持线性对应关系，称为非线性调制，具有较好的抗噪声能力，FM信号带宽越宽，抗噪声性能越好。角度调制的一般表示式为0()cos[()]cstAtt式中：——信号的瞬时相位；——瞬时相位偏移()ctt()t6.2.2频率调制FM调制时，载波的幅度和角频率保持不变，调制信号改变载波的瞬时角频率，且载波的瞬时角频率偏移与成正比，即()()FMdtKmtdt载波瞬时相位为：()()cFMttKmtdt()mt6.2.2频率调制已调频波在不考虑初始相位时的表示式为0()cos()FMcFMstAtKmdFM波最大角频率偏移为max()mFMKmtFM波的调频指数为max()FMFMMKmd6.2.2频率调制PM调制时，同样载波振幅不变，调制信号改变载波的相位，且载波的瞬时相位偏移与成正比()mt()()PMtKmt称为调相灵敏度，PM调制信号为PMK0()cos()PMcPMstAtKmt6.3数字信号的调制数字信号调制可以采用键控法，具有性能稳定可靠、调整测试方便及体积小等优点。二进制振幅键控BASK（Amplitude-ShiftKeying）移频键控BFSK（Frequency-ShiftKeying）移相键控BPSK（Phase-ShiftKeying）差分移相键控DPSK（DifferentialPSK）6.3数字信号的调制载波fc()BASKst载波f1()BFSKst()mt()mt载波f2载波f1()PSKst()mt移相0(a)(b)(c)000011基带信号BASKBFSKBPSKDPSK二进制数字调制电路的原理框图及波形6.3数字信号的调制设数字信号的数字序列为，则数字基带信号可以表示为式中：——随机变量，代表数字信号1或0；——基带信号码元波形，常见的有矩形脉冲、升余弦脉冲、钟形脉冲等；——二进制编码码元宽度。na()()nbnmtagtnTna()gtbT1.振幅键控6.3.1二进制数字调制二进制振幅键控（BASK）是振幅调制的特殊形式，它通过数字信号1、0控制载波传输信息的有无。其时域表达式为BASK00()()cos()nbcnstagtnTAtBASK调制可由DSB调制电路实现，或采用键控方法实现。BASK信号的带宽是基带信号的两倍。2.移频键控6.3.1二进制数字调制二进制移频键控（BFSK）采用两个不同的频率来表示数字信号0、1码（1通常称为传号，0通常称为空号）；根据频率变换时相位是否连续，分为相位连续FSK（CPFSK）和相位不连续FSK（DPFSK）。6.3.1二进制数字调制BFSK信号可以表示为BFSK011022()()cos()()cos()nbnnbnstagtnTAtagtnTAt其中为的反码nana6.3.1二进制数字调制BFSK信号的带宽可用下式进行估计式中：——偏频——FSK调频指数BFSK12FSK||222(2)BWffRfRRM12||2fff12FSK||2fffMRR6.3.1二进制数字调制最小频移键控MSK调制为了尽可能减少已调波的带宽，需采用包络恒定和相位连续的窄带数字调制技术MSK可以看作是调制指数为0.5的CPFSK。在MSK中，频移刚好等于码元速率的四分之一，即在一个码元时间内，频率和的波形刚好相差1/2周，所以在任何码元转换时刻上相位总是连续的。6.3.1二进制数字调制3.移相键控PSK调制是一种利用数字基带信号控制载波的相位，使固定振幅的载波相位随数字基带信号的变化而跳变的数字调制方式。在抗干扰能力上优于ASK和FSK，并且带宽利用率较高。PSK信号可以表示为PSK0()()cos()nbcnstagtnTAt其中，取值为±1na6.3.1二进制数字调制PSK信号等价于抑制载波的双边带调幅波形，可以由DSB调制电路实现，不过在PSK调制时数据信号取值为+1、-1，这种数据信号被称为双极性非归零信号。PSK信号的带宽与ASK信号带宽相同，是基带信号带宽的两倍。6.3.1二进制数字调制绝对移相键控直接利用载波的相位偏移来表示数字信号，已调波与载波同相表示数字信号0，已调波与载波反相表示数字信号1。DPSK利用载波的相对相位偏移来表示数字信号。相对相位不变代表数字信号0，相对相位反相代表数字信号1。绝对移相键控PSK和差分移相键控DPSK6.3.1二进制数字调制进行DPSK时，首先要将数据信号由绝对码转换为相对码，相对码又称为差分码。绝对码与相对码的相互转换通过异或门和延迟器组成的电路实现。异或门延时Tbnb1nbnanbna异或门延时Tb1nb（a）差分编码器（b）差分译码器6.3.2多进制数字调制*信号状态大于2的数字信号称为多进制数字信号振幅调制相位调制正交调幅MQAM与MPSK比较6.4信号的解调解调也叫“检波”，是调制的逆过程，其目的是从已