无线电信号传输系统的组成.ppt

第三节无线通信系统概述 1 无线通信系统的组成2 无线发信设备和收信设备的组成3 无线通信系统的类型4 无线通信系统的要求和指标 无线电通信系统的组成 概念实现信息传递所需设备总和 称为通信系统 电信系统 传送光或电信号的系统 无线通信系统 以无线介质传送光或电信号的系统 通信系统的组成 5部分 信源 终端 发送设备 发信机 信道 接收设备 收信机 信宿 终端 信道为连接收 发两端的信号通道 又称传输媒介 信道分为有线信道 如架空明线 电缆 波导 光纤等 和无线信道 如海水 地球表面 自由空间等 不同信道有不同的传输特性 同一信道对不同频率信号的传输特性也是不同的 信源是将声音 图像 文字等要传输的信息转换成原始电信号 基带信号 的设备 例如话筒 摄像机 信宿是将原始电信号转换成信息的设备 例如扬声器 显示器 发信设备是将原始电信号转换成适合在信道中传输的信号 并发送到信道中的设备 例如发射机 发射天线 收信设备是从信道中接收信号 并从接收到的信号中恢复原始电信号的设备 例如接收天线 接收机 通信系统的一般模型 信源 发信设备 信道 收信设备 信宿 噪声源 将信息转换成原始电信号 将原始电信号转换成适合在信道中传输的信号 传输信号的通道 系统内部的噪声和干扰 从接收到的信号中恢复原始电信号 将原始电信号转换成信息 无线发信设备和收信设备的组成 在无线通信系统中 我们要处理的无线电信号主要有三种 调制 基带 信号 高频载波信号和已调信号 不同的基带信号 不同的载波信号和不同的调制方式 将形成不同的通信系统 但是作为无线通信系统核心的无线收发设备的基本电路和原理都是相同的 因此 深入研究无线收发系统对于实用通信系统的开发 应用就显得十分重要 本课程就是以无线电模拟收发系统为研究对象的一门课程 模拟通信系统模型 无线通信系统的基本组成 发送设备中的变换将基带信号变换成适合在信道中传输的信号形式 一般为高频的带通信号 这个过程称为调制 发送设备的主要功能 调制 上变频 功率放大和滤波调制 是利用基带信号去控制载波信号的某一参数 让该参数随基带信号的大小而线形变化的处理过程 前面已有介绍 功率放大和滤波 是指对调制信号和已调信号的电压和功率进行放大 滤波等处理过程 以保证送入信道足够大的已调信号幅度 并滤除不必要的谐波分量 确保信号不失真发送到收信设备 上变频 将正弦波振荡器发出的正弦波频率通过变频或倍频变成载频 如果已调波频率不够 也需要进行变频 调幅发射机由一般由四个部分组成 高频 射频 系统 音频调制系统 电源和冷却系统 控制监测系统 由于电源 控制监测对发射机的工作原理没有影响 故图中略去了这一部分 高频部分一般包括激励器 高频功率放大器 功率合成器 匹配网络 低频部分由低频信号处理 调制器组成 以无线电调幅广播发射机为例介绍无线发信设备的组成 发射机高频部分 射频系统 1 激励器 振荡器或频率合成器 产生频率稳定的载波信号 对来自外部或备份的载频激励信号进行自动切换 2 高频功率放大器 由中间放大器 功放推动级 末级功放放大器 受调放大器 组成 中间放大级 一级或多级放大器 以逐步提高输出功率 最后经过功放推动级将功率提高到能推动末级功放的电平 末级功放则将输出功率提高到所需的射频功率电平 3 功率合成器 将功放模块产生的射频功率信号合成 实现发射机调幅波的射频功率输出 即产生大功率调幅广播信号 4 匹配网络 一般由带通滤波器和调配网络两部分构成 带通滤波器 滤除不需要的带外谐波和杂波成分 完成功率合成器与额定输出阻抗的阻抗匹配 调配网络 对载频的三次谐波进行再一次滤波 对输出阻抗进行阻抗微调 匹配馈线系统阻抗 使电压驻波比接近最佳值 保证发射机安全正常地运行 发射机低频部分 音频调制系统 在DAM发射机中 音频调制系统主要包括三部分 音频处理器 模 数转换器 调制编码器 音频处理器 将音频信号叠加上控制射频输出功率的直流信号 并进行一些模拟量的自动补偿和音频信号的放大 模 数转换器 将连续变化的模拟信号 转变成离散的数字信号 即二进制码的数字音频信号 调制编码器 将二进制的数字音频信号转换为确定射频功率放大模块开启个数的二进制码的控制信号 从而确定在此取样周期中射频输出功率电平的大小 在PDM发射机中 音频调制系统主要包括三部分 调制推动 调制器 低通滤波器 调制推动 将音频信号叠加上控制射频输出功率的直流信号 并转换成脉冲宽度调制信号 调制器 将脉宽调制脉冲信号进行功率放大 低通滤波器 将脉宽调制脉冲信号解调成大功率模拟音频电压 以此做为射频功率放大器的控制信号 实现对功率放大器的射频输出电压进行幅度调制 获得调幅广播信号 接收设备的主要功能滤波 放大 下变频 解调 发送设备中的变换 1 将高频带通信号变换成基带信号 2 将基带信号转换成原始消息 电磁波在空间传播时 如果遇到导体 会使导体产生感应电流 感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同 因此利用放在电磁波传播空间中的导体 就可以接收到电磁波了 接收设备的任务主要是有选择接收放大空中微弱电磁信号 同时要尽可能保证信息的质量 并恢复有用信息 接收设备的结构通常采用超外差形式 超外差式接收机方框图 从天线收到微弱载波信号 c先经过一级或几级高频小信号放大器进行幅度放大 然后送至混频器与本地振荡器所产生的等幅振荡 L相混合 所得到的输出 I与 c包络线形状不变 仍与原来的信号波形一致 但载波频率 c则变换为 c与 L两个高频频率之差或之和 I c L I这叫做中频 如要接收的信号是900KHZ 本振频率是1365KHZ 两频率混合后就可以产生一个465KHZ或者2265KHZ的差频 接收机中用LC电路选择465KHZ作为中频信号 因为本振频率比外来信号高465KHZ所以叫超外差 中频 I幅度再经中频放大器 送入检波器 得检波输出F 最后再经低频放大器放大幅度 送到扬声器中转变为声音信号 超外差接收机由高频放大器 本机振荡器 混频器 中频放大器 解调器 低频功率放大器组成 1 高频放大器 由一级或多级小信号谐振放大器组成 放大天线上感生的有用信号 并利用放大器中的谐振系统抑制天线上感生的其它频率的干扰信号 可调谐 2 混频器 两个输入信号 频率为 c的高频已调信号 本机振荡器产生的频率为 L的本振信号 将频率为 c的高频已调信号不失真的变换为载波频率为 I的中频已调信号 I c L 我国调幅广播中频为 I 465KHz 调频广播中频为 I 10 7MHz 电视图像中频为 I 38MHz 微波接收机 卫星接收机的中频为70MHz或140MHz等 3 本机振荡 用来产生频率为 L c I 或 L c I 的高频振荡信号 L是可调的 并能跟踪 c 4 中频放大器 由多级固定调谐的小信号放大器组成 放大中频信号 由于中频是固定的 因此中频放大器的选择性与增益都与接收的载波频率无关 5 检波器 实现解调功能 将中频调辐波变换为反映传送信息的调制信号 6 低频放大器 由小信号放大器和功率放大器组成 放大调制信号 向扬声器提供所需的推动功率 超外差式接收机的核心是混频器部分 混频器的作用是将接收到的不同载波频率转变为固定的中频 这种作用就是所谓外差作用 这也是超外差式接收机名称的由来 由于中频是固定的 因此中频放大器的选则性都与接收的载波频率无关 这就克服了直接放大式的缺点 混频器和本地振荡器往往共用一个电子器件 合并为一个电路 这时就叫做变频器 无线通信系统的类型 1 按照工作频段或传输手段分类工作频率指发射与接收的射频 RF 频率 2 按照通信方式来分类 只能发或只能收 既可以发也可以收但不能同时收发 可以同时收发 3 按照调制方式的不同来划分 调幅调频调相 4 按照传送的消息的类型来划分 模拟通信数字通信 无线通信系统的基本特性主要体现在有效性和可靠性两个方面 有效性指空间 时间 频率的利用率 主要用传输距离和通信容量 信道容量 指标来衡量传输距离指信号从发送端到达接收端并能被可靠接收的最大距离 它与采用的通信体制和是否中继有关 在无中继的情况下 传输距离决定于发送端的信号功率 信号通过信道的损耗 信号通过信道混入的各种形式的干扰和噪声以及接收机的接收灵敏度 通信容量是指一个信道能够同时传送独立信号的路数或信道速率 影响信道容量的因素包括已调信号所占有的频带带宽 系统采用的调制方式 信道条件 信噪比和信干比 和信道的复用 多址 方式以及网络结构等 无线通信系统的要求与指标 可靠性主要用信号失真度 误码率 抗干扰能力等指标衡量 信号失真度指的是接收设备输出信号不同 失真 于发送端基带信号的程度 产生信号失真的原因主要包括信道特性不理想和对信号进行处理的电路 发送与接收设备 特性不理想 信号通过信道时 总要混入各种形式的干扰和噪声 使接收机输出信号的质量下降 通信系统抵抗这种干扰的能力称为通信系统的抗干扰能力 提高通信系统抗干扰能力的技术主要包括技术体制中采用的抗干扰措施 系统设计中提高的抗干扰能力和选用高质量的调制和解调电路等几方面 研究对象 无线电发射设备和接收设备的组成 工作原理和工程分析计算 内容 发射和接收设备各单元电路的工作原理 性能特点 典型电路 工程分析方法 测试及调试方法等 单元电路 高频小信号放大电路 正弦波振荡器 高频功率放大电路 调制解调电路 混频电路 反馈控制电路 频率合成器等 特点 本课程电子线路大部分是非线性电路 如振荡电路 调制解调电路等 一般都用非线性分析方法 这与低频模拟电子线路中可近似用线性分析方法不同 但是对应高频小信号放大器 由于输入信号足够小 而又要求不失真放大 故可用线性分析方法 本课程的研究对象 内容以及特点 作业1 画出通信系统的组成框图 试论述各部分的功能和作用 2 画出中波广播发射机组成框图 论述各组成部分的作用和功能 试说明无线发信系统在整个无线通信系统中的功能和作用 3 画出超外差接收机的组成框图 论述各组成部分的作用和功能 并说明无线收信系统在整个无线通信系统中的功能和作用 4 无线通信系统按通讯方式分可分成几类 5 对无线通讯系统有哪些要求 这些要求用什么指标来衡量 为什么 技术特性频率范围 526 5kHz 1606 5kHz输出载波功率 3kW输出阻抗 50 不平衡式或75 不平衡式 调制方式 高频部分采用幅度调制 低频部分采用脉宽调制 驻波比 1 25频率稳定度 优于1Hz 24h音频频率响应 0 5dB 50Hz 4500Hz以1000Hzm 0 5为基准 谐波失真 3 50Hz 7000Hzm 0 9 信噪比 60dB 以1000Hzm 1为基准信号电平 载波跌落 3 谐波辐射 60db残波辐射 不劣于 70dB整机效率 70 载波状态 音频输入阻抗 600 平衡式音频输入电平 0 6dBm供电电源 电压380V 5 三相四线制 频率50Hz 1 外形尺寸 600mm 长 900mm 深 1980mm 高 谐波失真发射机用单一频率的正弦音频信号调幅时 由于高频放大器的非线性和调制器的非线性 会产生各次谐波分量 各次谐波分量的均方根值之和与基波有效值之比 即为谐波失真 式中 D 谐波失真 Vj j次谐波电压的有效值 Vl 基波电压的有效值 j 2 3 n 1 n 中波广播发射机技术指标 谐波失真指原有频率的各种倍频的有害干扰 由于放大器不够理想 输出的信号除了包含放大了的输入成分之外 还新添了一些原信号的2倍 3倍 4倍 甚至更高倍的频率成分 谐波 致使输出波形走样 这种因谐波引起的失真叫做谐波失真 理论上此数值越小 失真度越低 音频频率响应 频响 发射机的调幅度 随输入发射机振幅恒定的正弦音频信号的频率变化而变化的特性 单位为dB 式中 频率响应 Uf 各调幅频率线性检波输出端的电压有效值 U1K 输入1000Hz单音频时 线性检波器输出端的电压有效值频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号 正弦波 与发射系统相连接时 在接收端产生的调制电压幅度随输入端频率的变化而发生增大或衰减 相位随频率而发生变化的现象 这种调制电压和相位与调制频率的相关联的变化关系称为频率响应 信噪比发射机调幅度为100 时的线性检波器输出的交流电压有效值 与没有外加调制信号时线性检波器输出的交流电压有效值之比 单位为dB 式中 N 信噪比 Un 发射机无调幅时 线性检波器输出端噪音电压有效值 Um 发射机调幅度为100 时 线性检波器输出端的电压有效值 设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少 是收音机回放的正常声音信号与无信号时噪声信号的比值 用dB表示 例如 某发射机的信噪比为80dB 即输出信号功率是噪音功率的108倍 信噪比数值越高 噪音越小 载波跌落在供电电压保持恒定的情况下 使用单一频率的正弦音频信号对发射机进行调制 使调幅度为100 则无调制时的载波振幅U0与100 调制时的载波振幅U0 的差值 与无调制时的载波振幅U0之比 式中 S 载波跌落 U0 无调制时的载波振幅 U0 100 调制时的载波振幅 修正系数 Ul 无调制时电源线电压的有效值 U 100 调制时电源线电压的有效值 注 供电电压无法保持恒定时使用修正系数 进行校准 载波输出功率在发射机音频输入端不加调制信号的条件下 一个射频周期中发射机提供给射频负载的平均功率 整机效率发射机在同一工作状态下的输出功率和输入功率之比 式中 整机效率 PO 发射机的输出功率 kW Pi 发射机的输入功率 kW 发射带宽发射机的发射信号在广播频段中所占的频带宽度 正峰调制使用单一频率的正弦音频信号对载波进行调幅 调幅正峰处所能达到的最大调幅度 为发射机的正峰调制能力 正负调幅不对称度使用单一频率的音频信号对载波进行调幅 当发射机的正调幅度达到95 时 其正负调幅度之差的绝对值 为发射机的正负调幅不对称度 频率容限发射机所占频带的中心频率偏离指配频率 或发射的特征频率偏离参考频率的最大允许偏差 频率容限以赫兹 Hz 表示 中波调幅广播发射机技术指标 中波广播发射机技术指标的测量条件1 电源条件电源电压应在标称电压 5 范围内 电源频率应在标称频率50Hz 1Hz范围内 2 测量参考频率1000Hz正弦波信号 3 谐波失真 音频频率响应的测量频率60Hz 100Hz 400Hz 1000Hz 3000Hz 4500Hz 3KWPDM发射机主要组成 a高频系统 包括频率合成激励器 DDS 前级放大器 前级槽路 中放调谐 功率放大器 功率合成器 带通滤波器 负载匹配 输出监测 b调制系统 包括音频输入 脉宽调制器 调制器 c电源部分 包括稳压电源 主整电源 d应急开关板 微机实时控制系统 e风冷系统 频率合成激励器为发射机提供射频 RF 信号源 频率合成器的输出馈送到前置放大器板 输出波形 方波 5VP PTTL电平具有主 备激励信号自动切换功能 它是将外来信号作为主信号 本机RF信号作为备用信号 当发射机有外接射频信号输入时 射频激励器的射频信号将自动倒换为备份 而以外部输入的射频激励信号为主激励信号 当外部输入的射频信号出现故障时 电路将自动切回本地激励信号同时 为并机工作和调幅立体声广播提供射频激励信号的输入 输出接口 发生驻波比故障时进行保护性切换在频率合成激励器电路中有一个外 同步 激励信号输入接口电路 它可将外来信号放大整形后作为本机的射频激励信号 频率合成激励器 频率合成激励器采用直接数字频率合成技术 它由温补振荡器 倍频电路 DDS电路 单片机 放大器 外部RF信号放大器 信号自动切换电路等组成 中波广播频段的频率间隔规定为9kHz 所以频率合成激励器设计成最小频率间隔为9kHz 为了提高发射机激励信号的高可靠性和高稳定性 采用频率稳定度高达1 10 7的温补晶体振荡器作为信号源 其标准频率为9216kHz 由温补晶体振荡器输出的高精度9216kHz信号送到倍频电路进行倍频 倍频后的信号送到DDS电路作为直接数字合成的频率输入信号 通过外置拨码开关选择需要的频率 单片机通过拨码开关数计算出所需要输出的频率数 并发送该频率数的频率控制字送给DDS电路 DDS电路通过送来的频率控制字产生所需要的频率 高频激励器输出的载频方波信号送入高频前级放大器 经缓冲放大 推动放大 D类半桥 和桥式丁类功放至前级槽路 由前级槽路输出正弦推动电压至6路调制 高频功率放大器 前置放大器输出的射频信号经前级槽路的高频变压器B输出 B的次级通过串 并联谐振回路将射频信号加到功率放大板的射频输入端上 C1和L1串联谐振在发射机的工作频率上 L2和等效过来的功率放大板上IRFP350管子的输入电容C等构成并联谐振回路 调整变压器B次级抽头位置可改变射频幅度的大小 高频前级放大器和前级槽路 中放谐调 调制 功放在全固态中波广播发射机中用作末级 它实质上是将高频放大器和调制器在结构上实现了一体化 载波功率最大可达3600W 调制 高频功率放大器 高频功率放大器高频功率放大器为6路桥式丁类功放 放大器件为场效应功率管IRFP350 桥式功放电源由调制器输出的直流加音频供给以实现幅度调制 6路功放输出经功率合成器合成输出至高频槽路 该槽路由带通滤波器和阻抗变换器组成 完成滤波和匹配功能后 由馈线电缆输出送至天线 其输出匹配状态由输出监视电路和入 反射功率进行监测 每一路功放输出载波功率约为600W 调制器调宽脉冲送至调制器进行脉冲放大和解调 解调后的直流和音频信号输出至高频功率放大器实现幅度调制 调宽脉冲首先经光耦N2高压隔离后输出推动场效应开关管IRFP350 放大后的调宽脉冲再经低通滤波器和阻尼管VD6输出直流和调制音频 另外在输入电路中还加有封锁控制电路 在广播发射台的机房中 除了广播发射机外 还必须有以下配置 音频前端接收和处理系统 电源变配电系统 控制监控系统 天 馈线系统 电磁屏蔽系统 机房的接地系统 它们与发射台的安全 优质播出和稳定 可靠地工作都是密不可分的 中波发射台广播发射系统的配置 包括卫星接收和解调器 光纤接收与解调器 微波接收与解调器 音频处理器 或限制放大器 音频矩阵 除了音频处理设备外 其它都属于信号传输设备 它们的作用是 从远处播出中心送来的含有节目内容的超高频的卫星或微波信号或光信号中 解调出需要的节目信号 送至发射机的音频系统输入接口 也有些电台是通过调频波段进行节目传送的 音频处理器的作用是进行发射前的音频预处理 一般有动态压缩和限幅功能 将动态变化范围很大的节目信号压缩到一个适宜的范围内 既能提高发射机的平均调制度 又能确保发射机不会产生瞬时过调 优秀的音频处理器还具有音频预加重功能 削波失真的补偿功能和非对称输出功能 用于补偿收音机的音频频率特性 提高广播播出信号的响度和音质 最大可能地挖掘发射机安全优质播出的潜能 音频矩阵 用来在台内主备信号源和各个发射机之间进行音频切换 1 音频前端设备 包括高压配电柜 变压器 低压配电柜 稳压器 高压配电设备的主要功能是 将供电电网输送来的万伏以上的高压转换成所需要的三相380伏的交流电电源电压 为中波广播发射机房提供安全可靠的动力能源 低压配电柜 完成对机房各种用电设备主要是发射机的电源分配和主备电源的切换 计量电量和监控的任务 稳压器在电网供电电压不稳定的地区 对稳定电压的作用尤为重要 这是中波发射机房的所有设备能否正常工作的必要条件 否则 发射机就难于维持正常的工作状态 2 电源供电设备 3 控制检测设备包括控制台 调制度监视仪 载波 音频报警器 监听放大器等 不少发射台还配备了计算机实时监测控制系统 较完备 有效的监控设施有助于值机人员在控制室内就能全面了解机房设备和发射机的运行状况 及时正确地判断和处置各种设备故障 使发射机始终处于良好的工作状态 4 天 馈线系统包括发射天线及地网 天线调配网络 射频传输线 馈线 有时还需配置馈线调配网络 天 馈线系统的作用是将发射机输出的射频功率信号高效 低耗地发向空中 传向四面八方 特别是在我国的大多数发射台中 经常面对发射频率多 频率间隔近的复杂情况 因此 网络设计不仅要考虑阻抗匹配和天调网络的频率响应带宽 而往往更主要的是考虑如何排除邻频干扰和减少边带驻波比 1 发射天线及其地网 应有合适的天线电气高度和良好的地网 具有较高的天线增益和合适的工作带宽是无线电发射的必要条件 通常情况下 天线馈线的维护质量 地网导电性能以及可靠地连接尤为重要 这直接关系列发射机是否能够稳定 可靠和有效地进行发射 2 调配网络的设计 全固态发射机的调配网络与以往电子管发射机相比要求更高 除了考虑元器件电气性能有充足的富裕量和载波点上的阻抗匹配外 还必须有良好的通带特性和阻带特性 要求能够做到带内平坦 带外陡峭 这是因为我国大部分发射台都是多频率 密分布 抑制邻频的射频倒送是必须认真面对的问题 此外 应有良妤的防雷措施 保障发射机和机房设备的安全性运行 中波台内电磁场强较高 而建筑物的自然屏蔽作用在10 20d