4.1 无线电广播发送与接收 广播电视技术概论教学课件

第4章无线电广播发送与接收技术 学习指导 本章重点 4 1无线电广播技术基础知识4 2中短波广播发送技术4 3调频的基本原理本章难点 调幅的基本原理调频的基本原理中短波广播发送技术4 4广播接收技术选学内容 调频立体声广播发送技术 4 1无线电广播技术基础知识 4 1 1模拟调制与解调技术 调制的原因 P90 1 有效的电磁辐射 根据天线理论 只有当发射天线的尺寸是被辐射信号波长的十分之一以上时 信号才能实现有效的辐射 2 节目信号的频谱区分 对各个频道的节目采用不同的载波进行调制 就可在频谱上将它们区分开来 调制 Modulation 定义 利用欲传送的低频信号去控制高频振荡 载波 的某一参数 使之具有信号特征的过程 也即由携带信息的原始节目信号去控制高频振荡信号的某一参数 使该参数按原始电信号 调制信号 的规律变化的处理方式 调制和解调 P90 涉及到三种信号 载波信号 受调制的高频交变信号调制信号 调制载波的信号已调波信号 调制后的载波信号解调 在接收端 从已调波上将它运载的信息检取出来的过程 解调是调制的逆过程 调制和解调要用非线性电路实现 线性电路和非线性电路 定义上 线性电路是指完全由线性元件构成的电路 非线性电路是指含有一个以上非线性元件构成的电路 数学上 线性电路能用一个常系数线性微分方程加以描述 非线性电路不能用一个常系数线性微分方程加以描述 物理上 线性电路不会产生新的频率分量 非线性电路一定会产生新的频率分量 方法上 线性电路满足叠加原理 非线性电路不满足叠加原理 三类非线性电子线路 实现功率放大功能的电路 实现振荡功能的电路 实现波形变换和频率变换功能的电路 模拟调制方式 正弦交流电有三个要素 振幅 频率 相位 1 调幅 AmplitudeModulation 2 调频 FrequencyModulation 3 调相 PhaseModulation 由于 和 都是使高频振荡的总相角 t 0 受到调变 故统称为角度调制 AngleModulation 简称调角 在调角时 高频振荡的振幅不变 调幅分类及广播电视中对应业务 含有载波的双边带调幅 简称普通调幅 主要应用于中波调幅广播 抑制载波的双边带调幅 DSB AM DoubleSideBand AM 又称平衡调幅或抑载调幅 主要应用于调频立体声广播 stereoFM 的副信道中差信号 S L R 对38 z副载波的调制 彩色电视中的色度信号 C t Usin sct Vcos sct 对彩色副载波 fsc 4 43M z 的调制 单边带调幅 SSB AM SingleSideBand AM 主要用于短波广播中 残留边带调幅 VSB AM VestigialSideBand AM 主要用于电视广播中对图象信号 P或V信号 对图象载波fP 或fV 的调制 数字调制方式 数字调制信号 数字信号 数字调制三种方式 幅度键控ASK 载波的幅度随数字调制信号而变化频移键控FSK 载波的频率随数字调制信号而变化相移键控PSK 载波的相位随数字调制信号而变化 一 调幅调制调幅波的波形 P91 1 调幅波的表达式 时域分析 90 信号表达式 I cos t载波表达式Iccos ct 调幅系数 调幅度 ma I Ic U Uc调幅度又可进一步分为上 下调幅度包络函数Uc 1 macos t 保证不失真条件0 ma 1 2 调幅波的频谱 P91 频谱结构三部分组成 频域分析 载频分量fc幅度Uc上边频分量fc F幅度maUc 2下边频分量fc F幅度maUc 2通频带B 2F一条重要结论 调幅过程实质上是将调制信号u t 的频谱进行 搬移 操作 搬至载频的两边 相应的通频带B 2Fmax 即最高话音频率的两倍 调幅波的两个重要参数 调幅度ma 反映调幅波振幅变化的相对程度 调幅度又可进一步分为上 下调幅度保证不失真条件0 ma 1通频带B 2Fmax 反映已调波的有效带宽 AM电路模型 模拟乘法器 是核心部件 将输入信号频谱不失真地搬移到某一载频的两侧 滤波器 取出有用分量 抑制无用分量 平衡调幅DSB AM 基本设想 只传两个边带 不传载波 时域分析 已调波有两个特点 高频振荡之包络已不再是在载波振幅上下变化 合成包络不再反映调制信号变化规律 但仍保持调制信号的特征 频域分析 载波分量fc已经被抑制 频谱中只含有上边频和下边频分量 调制效率 100 电路模型 模拟乘法器 平衡调幅波的特点 平衡调幅波的幅度与调制信号幅度的绝对值成正比 调幅信号为正值时 平衡调幅波与载波同相 调制信号电压为负值时 平衡调幅被与载波反相 当调制信号电平过零而改变其电压极性时 平衡调幅波相位随之变化180 平衡调幅 平衡调幅的过程 将调制信号与被调制信号相乘 单边带调幅SSB AM 基本设想 只用一个边带依然保持调制信号的特征 并可节省一半带宽 两种方式 只传送上边带的USSB AM和只传送下边带的LSSB AM 时域分析 u t maUccos c t 2 上边带单边带调幅USSB AM 或u t maUccos c t 2 下边带单边带调幅LSSB AM 频域分析 载波分量fc已经被抑制 频谱中只含有上边频或下边频分量 电路模型 1 滤波法 2 相移法 优点 1 提高信道利用率 B Fmax 2 节约发射功率 3 失真小 噪音小 保密性强 缺点 1 频率稳定度要高 尤其载频要非常准确和稳定 2 放大器线性放大要求高 3 需陡峭边沿 截止性能高 的滤波器 残留边带调幅VSB AM 基本设想 规定图象信号全部保留上边带的0 6MHz 下边带保留频率较低部分0 1 25MHz 以减少接收设备有成本 不产生失真 且易于实现发送特点 上边带0 6MHz全传 下边带0 0 75MHz全传 0 75 1 25MHz减传 1 25MHz 6MHz不传 发射总带宽为1 25 6 5 0 25 8MHz 电路模型 首先对图像载波fv进行双边带调幅 再经残留边带滤波器 斜切滤波器 形成电视发射信号 角度调制 频率和相位的基本关系 角频率 t 是总相角 t 对时间的一阶导数 总相角 t 是瞬时角频率对时间的积分 t d t dt t 0t t dt 0高频已调波的通式 u t Uccos t Uccos 0t t dt 0 角度调制分类 调频 FM 和调相 PM 两种 角度调制的共性 1 高频已调波的振幅Uc稳定 2 高频已调波的总相角 t 随调制信号变化 二 调频调制调频波的波形 P93 调制调频波分析 P90 调制信号 u t U cos t载波信号 uc t Uccos Ct调频已调波的一般表达式u t Uccos Ct Kf 0tu t dt 瞬时角频率偏移 t Kf u t Kf U cos t 根据调频的定义 Kf称为调制灵敏度 表示单位调制信号所引起的角频移 瞬时角频率 t C t C Kf u t 瞬时相位 t 0t t dt Ct Kf 0tu t dt Ct t 瞬时相位增量 t Kf 0tu t dt调频波的相位变化量正比于调制电压对时间的积分 26 将 调制信号 u t U cos t代入 调频已调波的一般表达式u t Uccos Ct Kf 0tu t dt 得 u t Uccos Ct Kf 0tU cos tdt u t Uccos Ct Kf U sin t u t Uccos Ct mf sin t 所以 调频已调波u t u t Uccos Ct mf sin t 调制指数 调频系数 mf f Kf U 它表示在调频过程中 瞬时相位 t 变化幅度 反应了调制深度 单位是 弧度 瞬时相位 t 0t t dt 0 Ct mf sin t 调频波的频域分析 mf 1时 窄带调频 它与AM中单音调制的频谱结构相仿 区别是下边频分量相位差180O 当mf较大时频谱的特点 1 频谱由载频分量和无穷多个边频分量所组成 边频与载频之间角频率相差n n 1 2 3 对于奇次边频分量 上 下边频的相位相反 反相 对于偶次边频分量 上 下边频的相位相同 同相 2 第n对边频分量的振幅为Jn mf Uc mf越大 边频分量越多 3 在某些mf值上 Jn mf 0 即第n对边频分量的振幅为0 在某些mf值上 J0 mf 0 即载频分量的振幅为0 如mf 2 4时 载频分量的振幅J0 2 4 0 调频波的频谱 P94 有效带宽B B 2 mf 1 F 2 f F 调频广播标准规定 B 200kHz 电视广播中伴音标准规定 B 250kHz 调制调频已调波的特点 振幅恒定 始终保持Uc不变 角频移 t fcos t 最大角频移 最大角频偏 f Kf U 瞬时相移 t mf sin t 最大相移为mf 当单音调制信号的振幅U 为恒定时 最大角频偏 f Kf U 保持恒定 且不随 而变化 但调制指数mf f fmax F却是与调制角频率 成反比 调制角频率 越高 所引起的最大相移mf越小 三个截然不同的频率参数 中心角频率 C 瞬时角频率 t 的平均值 最大角频偏 f 表示瞬时角频率偏离中心角频率 C的最大值 并且它与调制信号的角频率 无关 调制角频率 表示瞬时角频率变化的快慢 调制指数 调频系数 mf f fm F 最大频偏 调制频率mf实质是最大的相位偏离值 表示在调频过程中 瞬时相位 t 变化幅度 反应了调制深度 单位是 弧度 调频波的功率关系 1 不论mf为何值 已调波的平均功率恒等于载波功率 2 改变mf的值会引起载频分量与边带分量间功率的重新分配 但是总的平均功率仍保持不变 3 调频时 边带功率是由载波功率分配提供 其大小由实际的频谱结构所决定 AM FM调制指数的比较 调制指数调幅系数ma调频系数mf相同点表示已调波调制深浅的程度 正比于调制信号幅度 与载波振幅成反比无关与调制信号频率无关成反比取值范围 0 1 任意含义已调波包络变化程度已调波的最大相移关系式ma U Ucmf f Kf U 调幅与调频的主要区别 P94 1 高频载波振幅 调幅的振幅是变化的 调频是等幅波 2 高频载波频率 调幅的高频载波频率不变化 调频的频率变化 并与调制信号的幅度成正比 3 已调波频带宽度 调幅后的信号所占的频带宽度为调制信号最高频率的两倍 调频波所占的频带宽度要比调幅波宽得多 4 声音质量 调幅保真度较差 收听效果不够满意 调频声音清晰 保真度较高 抗干扰能力强 噪声小 音质优美动听 可进行调频立体声广播 使收听者能获得立体感 方位感 临场感强的声音 5 传输距离 调幅的传输距离和覆盖范围比调频大 4 1 2无线电波的传播特性1 无线电波的基本特性 P95 无线电波 电场和磁场的波动 电磁波 电场的变化会产生磁场 相反地 磁场的变化又会产生电场 在变动的电场周围产生变动着的磁场 并且又在变动的磁场周围产生变动的电场 电场和磁场的交替运动 向四面八方传播出去 2 频率和波长 频率 电磁波在每秒钟变化的次数 单位为赫兹 Hz 电磁波的传播速度 在空气中的传播速度为光速3 108m s 周期 电磁波每变化一次所用的时间 单位为秒 s 波长 在一个周期内传播的距离 单位为米 m 电磁波的频率 f 波长 与波速 之间关系 f 附录1无线电波频段划分 P295 电磁波传输方式 3 广播电视波段 频段 划分 P96 中波 中频 526 5kHz 570m 至1605 5kHz 187m 国内声音广播 短波 高频 2 3MHz 130m 至26 1MHz 11 5m 国外声音广播 微波 可分为特高频UHF 分米波 超高频SHF 厘米波 极高频EHF 毫米波 卫星广播通常使用C波段 3 9 6 2GHz 和Ku波段 11 7 12 2GHz 传输节目和卫星广播 微波频率波段MicrowaveFrequencyBands 3 广播电视波段 频段 划分 P96 超短波 包括米波 甚高频 和分米波 特高频 甚高频VHF 米波 48 7MHz 6 16m 至223MHz 1 35m 又分为 三个波段 特高频UHF 分米波 470MHz 0 64m 至958MHz 0 31m 主要用于地面电视广播 可容纳56个频道 它又分为 两个波段 电离层 电离层 从地球上空60公里到大气层外缘几千公里高度的空间内 大气层中的空气分子受太阳辐射的紫外线和X射线照射后 一部分气体分子被电离 形成电子 正离子和负离子 电离层分层 白天有三到四层存在 按其高度排列为D E F层或D E F1 F2层 在夜间 D F1层消失 只有E F2层存在 4 电波的传播途径 1 天波传播 经过电离层反射后到达接收点 2 空间波传播 经过对流层在自由空间传播 3 地波传播 沿地球表面传播 传播距离比较 电离层 地面 直线 无线电波的传播特性 P97 各波段电波的传播特 P97 1 中波 白天主要由地波传播 晚间D层消失 天波由E电离层反射可传到较远距离 铁塔高度通常为四分之一波长 即几十米至一百多米 所辐射的地波约可传播200公里 各波段电波的传播特点 2 短波 主要由天波传播 F2电离层 衰落现象 由于电离层的电离程度和位置高度变化 传播不稳定 收听的信号忽强忽弱 短波广播的发射天线尺寸比中波要短小得多 发射机的功率也可以小得多 靠天波传播的距离很远 可达上万公里 各波段电波的传播特点 3 超短波 米波和分米波 只能靠空间波传播 即在收 发两点间直线的方向传播 也称为视距 视线距离 传播 传播距离一般只有几十公里 发射天线架得越高传播效果越好 各波