電子科技大學-軟件無線電-第一章-緒論

1、1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 電子科技大學電子科技大學- -軟件無線電軟件無線電- -第一章第一章- -緒論緒論 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 第一講 無線電系統(tǒng)結構與技術 劉光輝 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 2 本講內容: 1.1 基本概念 1.2 無線電頻譜及分配 1.3 無線電應用系統(tǒng) 1.4 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 無線電應用系統(tǒng) 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 4 1.3.1 單工無線電接收機設計 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 2. 設計需要考慮的問題 如何收聽指定

2、的電臺節(jié)目？ 選頻濾波：諧振濾 波器、頻率選擇性 信號太弱，怎么辦？ 功率放大 信號太強，怎么辦？ 接收動態(tài)范圍：固定/可變 增益放大、AGC技術 如何判斷各種收音機的接收質量？ 信噪比 （SNR）：內部噪聲、噪聲系數(shù) 5 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 3. 直放式無線電收音機設計（最簡單） 6 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 接收機靈敏度（sensitivity） 定義：在保證所要求的輸出SNR的條件下，接收 機所需的最小輸入功率。 表征接收機接收微弱信號的能力；靈敏度越高， 能夠接收到的信號越弱。（一般-100dBm） 接收機靈敏度與設計有關，同時受到噪聲電平的

3、限制。 可分為外部噪聲和內部噪聲： 外部噪聲：是通過天線引入的無線信道噪聲（天電噪聲、宇宙噪聲）、 天線熱噪聲、電源噪聲、工業(yè)噪聲等 用輸入信噪比表征。 內部噪聲：來自接收機內部電路，電阻元件、放大器、混頻器等都會產(chǎn) 生噪聲 用噪聲系數(shù)表征。 7 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 提高接收機靈敏度的方法： 要想提高靈敏度，必須盡量減小噪聲電平 要減小噪聲電平：首先，抑制外部的干擾（噪聲）； 其次，盡量減小接收機內部的噪聲 采用選頻濾波器、低噪聲射頻放大器，并合理分配接 收通道各部分的增益（減小后置電路對接收機系統(tǒng)靈 敏度的影響） 8 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 選頻特

4、性 接收輸入信號頻譜包含與所需頻點相鄰的一定范 圍內的所有無線電信號。 目的：接收所需要頻道的信號，濾除臨近頻率信 號對接收信號的干擾。其性能由接收機選頻特性 表征。 9 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 設計要求： 保留所需頻道信號，濾除相鄰頻道信號，即選頻特性 好 要能夠收到不同頻道的信號濾波器的中心頻率可變 采用LC濾波器（諧振濾波器），其選頻特性差 選頻特性常用品質因素Q來表征： 10 對載頻高、帶寬窄的信號，LC濾波器的Q值難以 滿足實際要求。 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 接收機選擇性與接收機內部頻率的選擇以及接收 機高、中頻部分的頻率特性有關。 解決濾波器

5、Q值限制的工程方法： 增加頻道間隔 浪費頻譜資源 降低濾波器輸入信號的中心頻率 混頻后再濾波 11 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 基于混頻器技術的無線電接收機：設輸入信號同上例相同， 混頻后的中頻信號為 12 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 噪聲系數(shù)（Noise Figure） 理想的接收機：本身只放大天線輸入的信號和噪 聲，而不另引入其它噪聲。 實際的接收機：總是要產(chǎn)生內部噪聲，除天線的 熱噪聲外，還有接收機本機的噪聲。 噪聲系數(shù)是表征電路內部噪聲電路內部噪聲大小的物理量。 噪聲系數(shù)定義為電路網(wǎng)絡輸入信噪比和輸出信噪 比的比值，表達式為： 13 / / iioio

6、oooii SNNNN NF SNSSGN G為接收機功率增益 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 通常情況下，NF 1；理想情況為NF = 1。 輸出噪聲可以理解為輸入噪聲放大后，與電路內 部噪聲之和，即： 14 / / (1) ii ii i SN NF GSGN G N NF 考慮兩個電路元件的情況： 121122 / / ii ii SN NF SGGN GG 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 無線電接收機由許多單級的電路網(wǎng)絡（如：混頻 器、濾波器、放大器等）組成，由此可得級聯(lián)系 統(tǒng)的噪聲系數(shù)： 15 位于接收機最前級的放大器的噪聲系數(shù)對整個系 統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響更大低

7、噪聲放大器LNA 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 16 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 增益動態(tài)范圍 到達接收機的無線信號一般很微弱，需要功率放大后才能 解調出需要的信息。 接收機增益G表示接收機對接收信號的放大能力，它是輸 出信號與輸入信號的功率比。 收發(fā)機間相距的遠近、信號傳播信道的環(huán)境等因素的變化 接收機輸入的信號強度的變化。 為接收機輸出的信號強度相對穩(wěn)定，接收機的增益應隨輸 入信號強度的大小自動調整 自動增益控制技術（ Automatic Gain Control，AGC）。 接收機動態(tài)范圍表示接收機正常工作時所允許的輸入信號 的強度變化范圍(6080dB12

8、0dB)。 17 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 AGC是一個閉環(huán)負反饋自控控制系統(tǒng)，是接收機 最重要的功能電路之一。 接收機總增益通常分配在各級AGC電路中，各級 電路的級聯(lián)構成總的增益。 在接收信號很強時，可能會對信號進行衰減。 通常接收機第一級AGC的輸入信號動態(tài)范圍最大 ，且要求具有衰減作用，以提高接收大信號的能 力。 AGC必須保證放大器工作在線性區(qū)域。 18 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 19 增益控制實現(xiàn)原理框圖 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 直放式接收機特點 優(yōu)點：結構簡單，動態(tài)范圍小 缺點：選頻效果差，靈敏度低。(信號帶寬一定的 情況下

9、，信號中心頻率越高，要求選頻濾波器的 Q值越高。) 20 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 4. 超外差式接收機 外差技術（Heterodyne）：接收機的本振頻率和 選頻濾波器的中心頻率能夠同步改變，以接收不 同頻道的信號。1918年Edwin Armstrong提出。 超外差技術（Superheterodyne, 簡寫為superhet ）：中頻頻率fIF是固定不變的，且低于射頻頻率 fRF且高于信號帶寬B 。 現(xiàn)在所有的無線電接收機 都運用超外差原理。 鏡頻干擾：在射頻上對稱地位于本振頻率兩邊的 兩個信號，互為鏡頻。 改善鏡頻抑制比 采用高中頻方案。 21 1.3 無線電應用系

10、統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 22 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 天線與混頻器之間一般有RF放大器。 本振的調諧可以用可變電容或變容二極管實現(xiàn)。 混頻器使用非線性器件產(chǎn)生差頻信號，除了主要 頻率分量fRF , fLO , fRF + fLO , fRF - fLO 外，還可能包 括更高階的互調成分。 中頻頻率常常選擇fIF = fRF - fLO 或者fIF =fLO - fRF ，往往小于fRF 。 混頻器產(chǎn)生附加成分以及前端濾波器未濾掉的其 它頻段的成分在中頻濾波器處濾除。 鏡像頻率fIM比fRF高（或低）2fIF ，因此選擇一個 高fIF有助于改善頻率選擇特性。 23 1.3 無

11、線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 IF放大器由于運行在較低的頻率上，因此： 更容易獲得高的選頻特性（中心頻率低） 可以獲得更高的增益。放大器有恒定增益帶寬積，如 100MHz, 在10MHz處增益為10，在1MHz處卻有100的 增益。 此要求與前端抑制鏡像頻率的需求矛盾。因此一些無 線電系統(tǒng)需要通過幾級混頻，第一級混頻主要考慮選 頻特性（用較高IF），第二級混頻用較低IF獲取增益。 IF的選擇形成了成熟的方案，其頻率也是不能隨 便使用。中波AM的IF為455kHz，F(xiàn)M廣播為 10.7MHz，電視接收機38.9MHz（歐洲）、 45MHz（美國），衛(wèi)星和地面微波70MHz。 24 1.3 無

12、線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 超外差接收機特點 優(yōu)點：選頻效果好，靈敏度高，動態(tài)范圍大； 缺點：結構復雜，有鏡頻干擾（鏡頻抑制比）， 本振泄漏（連續(xù)波發(fā)射機，多個接收機同時運行 可能相互干擾，可以檢測超外差接收機），本振 邊帶噪聲（相位噪聲）對接收機性能產(chǎn)生影響。 超外差無線電接收機在結構上可以分為射頻(RF) 、中頻(IF)和基帶三個部分。 25 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 1.3.2 雙工無線電收發(fā)機的設計 26 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 無線數(shù)字通信系統(tǒng) 信源的數(shù)字化 無線數(shù)字通信 無線電通信最早的形式就是數(shù)字化的：Moorse電 報碼 數(shù)字信號的傳

13、輸也需要調制/解調技術： 改變單一參數(shù)：ASK, FSK, PSK 同時改變兩個參數(shù)：QAM, MSK等 模擬通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號，多次中繼惡化SNR 數(shù)字通信系統(tǒng)，中繼恢復，發(fā)射 無線數(shù)字通信系統(tǒng)相比模擬系統(tǒng)有很多優(yōu)點：可 靠性高，安全性好，靈活性強，實現(xiàn)成本更低。 27 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 收發(fā)機與雙工技術 通信系統(tǒng)同時具備收發(fā)功能 雙工技術支持 為了降低成本 共用天線 雙工器的功能就是收發(fā)隔離 雙工技術： 時分雙工：同頻，隔離度高，成本低 半雙工系統(tǒng) 頻分雙工：陷波濾波器實現(xiàn)，隔離度差，可同時工作 環(huán)行器雙工：利用鐵氧體材料的旋磁特性單向傳輸高 頻信號，實現(xiàn)收發(fā)同

14、頻隔離 頻分雙工與環(huán)行器可以結合使用提高隔離度 28 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 29 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 30 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 31 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 32 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 33 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 34 1.3 無線電應用系統(tǒng) 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 35 1.4 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 1.4 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 系統(tǒng)概念 信源數(shù)字化無線數(shù)字通信 信道數(shù)字化數(shù)字無

15、線電 信道軟件化軟件無線電 無線數(shù)字通信系統(tǒng)相對于無線模擬信息傳輸系統(tǒng) 的根本區(qū)別在于：信源的數(shù)字化。 但其傳輸通道中各環(huán)節(jié)采用的電路技術仍然是模擬的 ，如：調制/解調、信道分離、混頻和濾波等 缺點：模擬信道技術結構復雜、集成度低、調整困難 、體積功耗較大、運用不靈活 37 1.4 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 數(shù)字無線電技術 數(shù)字無線電技術：采用數(shù)字化信道技術，利用VLSI的成果 ，系統(tǒng)易于集成化、小型化，相比模擬系統(tǒng)，其體積更小 、功耗更低。 數(shù)字無線電系統(tǒng)采用正交雙通道結構獲得基帶I、Q信號， 采用數(shù)字信號處理技術進行基帶處理，因此系統(tǒng)具有一定 的可編程性、功能靈活、易于擴展。 缺點：模擬/數(shù)字無線電系統(tǒng)，其系統(tǒng)結構都是面向特定 用途的，其功能相對單一，結構固定，因工作頻段、調制 方式、波形結構、通信協(xié)議、編碼方式的不同而不同，不 能互通互聯(lián)，系統(tǒng)結構硬件化。 38 1.4 無線數(shù)字通信系統(tǒng)與數(shù)字無線電 數(shù)字無線電系統(tǒng)基礎 軟件無線電 構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺， 將工作頻段、調制/解調方式、數(shù)據(jù)格式、加密模式以及 通信協(xié)議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A 轉換器盡量靠近天線，以實現(xiàn)高度靈活性和開放性的新一 代無線電系統(tǒng)。 特點： 功能靈活：功能由軟件決定，軟件模塊可通過空中接口以無線加 載方式來改變 結構開放性：結構