GMDSS設(shè)備(第二章)

1、1武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備第二章第二章 單邊帶通信原理及發(fā)信設(shè)備組成方案單邊帶通信原理及發(fā)信設(shè)備組成方案 無線電通信的目的在于利用無線電波傳遞信息。能實(shí)現(xiàn)通信的調(diào)制方式，目前比較成熟的有：調(diào)幅制、調(diào)頻制、脈沖調(diào)制等。單邊帶制是在調(diào)幅制基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。 本章重點(diǎn)介紹單邊帶信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和波形，比較單邊帶制與調(diào)幅制的優(yōu)缺點(diǎn)。2武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備2 21 1 單邊帶通信的機(jī)理單邊帶通信的機(jī)理 隨著無線電通信的飛速發(fā)展，無線電波的某些波段出現(xiàn)了擁擠，特別是在短波、超短波更是如此，造成了電臺(tái)間的互相干擾，嚴(yán)重地影響了通信質(zhì)量。 另外，為提高接收機(jī)的信噪比，就必須

2、減弱噪聲干擾，減少不必要的輻射波。 解決問題的方法之一是壓縮信號(hào)所占的頻帶寬度。3武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 我們先討論調(diào)幅制。 基本原理基本原理：調(diào)幅制是將攜帶信息的語音、圖像或數(shù)字等信號(hào)(稱為調(diào)制信號(hào))調(diào)制到某高頻信號(hào)(稱為載波)上，使高頻信號(hào)的振幅按上述信號(hào)的變化規(guī)律而變化，形成已調(diào)波，然后發(fā)射出去。4武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備假設(shè)載波信號(hào)為：式中： 分別為載波信號(hào)的振幅、角頻率和初相角。一、分析單音頻調(diào)幅： 若調(diào)制信號(hào)是單音頻信號(hào)： 式中： 分別為調(diào)制信號(hào)的振幅、角頻率和初相角。 則相應(yīng)的調(diào)幅信號(hào)是: cccctVtucos tVtucos、V cccA

3、MttKVVtucoscos5武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備ccVVKm, 0 為簡化之見，令于是： 將上式展開得： 式中：m是調(diào)幅系數(shù)，為防止過調(diào)制，要求m1。 ttmVtuccAMcoscos1 tmVtmVtVtuccccccAMcos21cos21cos6武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備單音頻調(diào)幅的波形與頻譜圖，如下圖所示。7武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 從以上分析，我們可以看出：(1)調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò) 完全反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律。 (2)調(diào)幅波包絡(luò)內(nèi)的高頻振蕩相位連續(xù)，其高頻頻率為載波頻率。 (3)單音頻調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)由載頻 、上邊頻 、下邊頻 三

4、個(gè)頻率分量組成。被傳遞的信息，即調(diào)制信號(hào)的振幅、頻率和相位包含在上、下邊頻中。(4)上、下邊頻對(duì)稱地分布在載頻的兩側(cè)，振幅不超過載波振幅的一半。調(diào)幅波頻帶寬度B=2F。tmVccos1ccc8武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 實(shí)際的調(diào)制信號(hào)是多音頻的信號(hào)，可視為許多單音頻信號(hào)疊加后的信號(hào)?？梢杂靡韵率阶颖硎荆菏街校?分別為調(diào)制信號(hào)第n個(gè)頻率分量的振幅、角頻率和初相位。 1cosnnnnntVtunnnV、9武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 將該信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅，即使該式子與前面的載波信號(hào)表達(dá)式相乘，可得調(diào)幅信號(hào)表達(dá)式：式中： ，為第n個(gè)頻率分量的調(diào)幅系數(shù)。 ccnnnnc

5、AMttVKVtucoscos1ccnnnncttmVcoscos111cos21cosnncncncccctmVtV1cos21nncncnctmVcnnVKVm10武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 從上式可看出，復(fù)雜信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波，包含一個(gè)載頻分量和無數(shù)對(duì)上下邊頻分量。這些邊頻分量組成了兩個(gè)邊帶，對(duì)稱地排列在載頻的兩旁，分別叫上邊帶和下邊帶。復(fù)雜信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波波形與頻譜圖，如下圖所示。11武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備復(fù)雜信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波波形與頻譜圖12武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備從對(duì)實(shí)際信號(hào)分析可進(jìn)一步看出：(1)載頻 與所要傳遞的信息 無關(guān)，即載

6、波不傳遞任何信息，所傳遞的信息只包含在邊帶中，且上下邊帶含有同樣的信息。(2)調(diào)幅波包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的波形完全一致，填充角頻率為載波角頻率。(3)調(diào)幅波占有帶寬為調(diào)制信號(hào)中的最高頻率的兩倍。設(shè)調(diào)制信號(hào)最高頻率為Fmax，則調(diào)幅波占有帶寬為B=2Fmax。cnnnV、13武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 把信息調(diào)制在一個(gè)邊帶上進(jìn)行通信的方式叫單邊帶通信，這種調(diào)制方式稱為單邊帶調(diào)制，用SSB(Single Side Band)表示。 很顯然，單邊帶通信與調(diào)幅通信相比，由于少發(fā)射了一個(gè)邊帶，則每個(gè)信道的頻帶寬度壓縮了一半，也就是在規(guī)定的波段內(nèi)可以容納更多的電臺(tái)。14武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GM

7、DSS系統(tǒng)與設(shè)備2.2 2.2 單邊帶信號(hào)和波形單邊帶信號(hào)和波形一、單音頻調(diào)制的單邊帶波單音頻調(diào)制的單邊帶波：如圖23所示，它是一個(gè)角頻率為 、振幅為1/2mVc的等幅波，它和調(diào)制信號(hào)的振幅及頻率相關(guān)聯(lián)，可以用來傳遞信息。 tmVtuccUSBcos21c15武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備單音調(diào)制的USB信號(hào)波形與頻譜16武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備二、雙音頻調(diào)制的單邊帶波等幅雙音信號(hào)由兩個(gè)幅度相等、頻率相差幾百赫茲的正弦(或余弦)信號(hào)所組成，其表達(dá)式為： 式中： 。 ttVtVtVtu2cos2cos2coscos12122雙ttV2cos2cos211217武漢理

8、工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 從圖中可看出，等幅雙音信號(hào)的包絡(luò)為，峰值為 ，是每一單音幅度的2倍；填充角頻率為 ，它在包絡(luò)過0的A點(diǎn)，相位突變180，即若在A點(diǎn)之前信號(hào)從正降到0，則A點(diǎn)以后信號(hào)又從0變正而不是變負(fù)。V22118武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備(a) 等幅雙音調(diào)制信號(hào)的波形和頻譜19武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備(b) 受等幅雙音調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)的波形和頻譜20武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備(c) 受等幅雙音調(diào)制的上邊帶信號(hào)的波形和頻譜 21武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備用等幅雙音信號(hào)對(duì)載波調(diào)幅，可得調(diào)幅波： 從上式中取出一個(gè)

9、邊帶(如上邊帶)，可得等幅雙音調(diào)制的單邊帶信號(hào)： 1cos21nncncncUSBtmVtuncncnntKVcos211 ttmVtuccUSB2cos2cos122武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備三、復(fù)雜音頻調(diào)制的單邊帶波從復(fù)雜音頻調(diào)制的調(diào)幅波表達(dá)式(23)中，取出一個(gè)邊帶(如上邊帶)，可得 1cos21nncncncUSBtmVtu1cos21nncncntKV23武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備復(fù)雜音頻調(diào)制的單邊帶信號(hào)波形和頻譜24武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備由此得到一個(gè)重要結(jié)論： 從頻譜觀點(diǎn)看，單邊帶調(diào)制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)頻率線性搬移過程。當(dāng)調(diào)制信號(hào)振幅和

10、頻率變化時(shí)，所產(chǎn)生的單邊帶信號(hào)的振幅和頻率作相應(yīng)變化，從這個(gè)角度講，單邊帶信號(hào)是一個(gè)調(diào)幅調(diào)相波。25武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備23 單邊帶通信的特點(diǎn)單邊帶通信的特點(diǎn) 單邊帶制與普通調(diào)幅制相比，在同樣的通信效果下具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、占用的頻帶窄 因?yàn)閱芜厧ㄐ胖焕谜{(diào)幅信號(hào)中的一個(gè)邊帶進(jìn)行通信，所以節(jié)省頻帶。若調(diào)制信號(hào)帶寬為 ，則調(diào)幅信號(hào)帶寬為 ，而單邊帶信號(hào)帶寬為 ，其中 、 分別為調(diào)制信號(hào)的最高頻率和最低頻率。FBSSBmaxAM2F=BminmaxF-F=FmaxFminF26武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備二、發(fā)射功率有效利用率高 對(duì)調(diào)幅發(fā)射機(jī)，其輸出功率主要用來

11、發(fā)射不含任何信息的載波上，兩個(gè)邊頻(帶)功率僅占整個(gè)輸出功率的13(滿調(diào)制，即m=l時(shí))，這是很不合理的。單邊帶通信克服了上述缺點(diǎn)，其發(fā)射機(jī)輸出功率可以做到全部用來傳遞信息，這是節(jié)約的。27武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 在調(diào)幅發(fā)射機(jī)中輸出功率通常是指載波的平均功率，但在單邊帶發(fā)射機(jī)中載波是被抑制掉的。輸出功率是隨著調(diào)制信號(hào)電平的高低而變化的，當(dāng)不送調(diào)制信號(hào)時(shí)，輸出功率就變成零。因此，對(duì)單邊帶發(fā)射機(jī)來說，通常用峰包功率來表示發(fā)射機(jī)輸出功率的大小。所謂峰包功率是指在最大信號(hào)電平時(shí)，高頻一周內(nèi)的平均功率，用PEP表示。 28武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 通過對(duì)單音調(diào)制的單

12、邊帶信號(hào)峰包功率進(jìn)行計(jì)算分析，在保證相同通信效果條件下，單邊帶信號(hào)的峰包功率只需要調(diào)幅波峰包功率的18，折合為9dB。這就是人們常說的單邊帶制在發(fā)射功率方面的9dB收益。 若以平均功率作比較，可以得出，單邊帶發(fā)射機(jī)的平均功率是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的平均功率的13?？梢宰C明，其它調(diào)制信號(hào)時(shí)，單邊帶發(fā)射機(jī)在平均功率方面收益更大。 29武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備三、抗選擇性衰落能力強(qiáng) 由于電離層高度和濃度是變化的，不同的頻率成分經(jīng)過一定距離的空間傳播后，會(huì)引起不同的幅度衰減，并引起不同的相位延遲，也會(huì)使合成后的總信號(hào)強(qiáng)度不斷地變化，這就是電波的衰落現(xiàn)象。對(duì)于不同頻率分量并具有不同衰落變化時(shí)，叫

13、做選擇性衰落。30武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 實(shí)驗(yàn)證明，在有中等大小的選擇性衰落時(shí)，調(diào)幅制通信和單邊帶制通信要獲得相同的通信質(zhì)量，調(diào)幅制發(fā)射功率要比單邊帶制發(fā)射功率大一倍，即單邊帶制與調(diào)幅制相比在發(fā)送功率方面又有3dB的收益。31武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備四、抗干擾性能好 調(diào)幅接收機(jī)的包絡(luò)檢波器在強(qiáng)信號(hào)時(shí)是線性的，弱信號(hào)時(shí)呈平方律特性，見圖27。32武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 由圖可看出，在同樣輸入信噪比下，單邊帶接收機(jī)輸出端的信噪比要高于調(diào)幅接收機(jī)，并且SiNi越大，這個(gè)差值也就越大，說明在信噪比良好情況下，單邊帶信號(hào)抗干擾性能越明顯。在信噪比

14、不佳時(shí)，即使調(diào)幅接收機(jī)不能工作了，單邊帶接收機(jī)還可能工作。33武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 不過單邊帶通信對(duì)設(shè)備要求更高，主要表現(xiàn)在下列三個(gè)方面： 1對(duì)載頻的頻率穩(wěn)定度要求高 2對(duì)邊帶濾波器要求嚴(yán)格 3對(duì)收發(fā)設(shè)備的線性要求高34武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備第一個(gè)符號(hào)表示主載波的調(diào)制方式，其中：A表示雙邊帶；H表示單邊帶載波；R表示單邊帶減幅載波；J表示單邊帶抑制載波；F表示調(diào)頻；G表示調(diào)相。2 24 4 船用單邊帶通信的工作種類船用單邊帶通信的工作種類35武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 第二個(gè)符號(hào)是數(shù)字，表示調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)，如：1、表示不用調(diào)制副載波，但

15、包含數(shù)字信息的單信道；2、表示利用調(diào)制副載波且包含數(shù)字信息的單信道；3、表示包含模擬信息的單信道。36武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 第三個(gè)符號(hào)表示所發(fā)信息的類型，其中：A表示人工接收?qǐng)?bào)；B表示自動(dòng)接收?qǐng)?bào)；C表示傳真；0表示數(shù)據(jù)傳輸；E表示電話；F表示電視。37武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 船用單邊帶通信機(jī)是一種多功能通信機(jī)。其工作種類主要有以下幾種：1載波抑制的單路單邊帶話，用J3E表示2載波部分抑制的單路單邊帶話，用R3E表示3全載波單路單邊帶話，用H3E表示4調(diào)頻單路自動(dòng)接收?qǐng)?bào)，用F1B或J2B表示38武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 單邊帶發(fā)信機(jī)方框

16、由激勵(lì)器EXCITER、功率放大器POWER AMPLIFIER（線性功放與合成）、自動(dòng)天線調(diào)諧單元ANTENNA TUNE UNIT(ATU)、天線、控制微機(jī)、電源等部件組成。25 船用單邊帶發(fā)射機(jī)組成規(guī)律及框圖39武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備單邊帶發(fā)射機(jī)組成 40武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 單邊帶信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：濾波法和移相法。船用單邊帶發(fā)射機(jī)中廣泛使用的是濾波法，其基本環(huán)節(jié)是調(diào)制和濾波。單邊帶信號(hào)產(chǎn)生原理圖 41武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 船用單邊帶通信機(jī)所用邊帶濾波器的技術(shù)要求 如下圖所示。圖中畫的是上邊帶濾波器，有用邊帶是上邊帶

17、，而下邊帶是無用邊帶。邊帶濾波器(帶通濾波器)的衰耗頻率特性可分為三部分，即通帶、阻帶和過渡帶。42武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 單邊帶發(fā)射機(jī)的任務(wù)主要是調(diào)制、搬頻和放大，因此其內(nèi)部必定包含有許多線性和非線性元件，如濾波器、線性放大器、調(diào)制器、混頻器等。必須將這些元件合理組織起來方能完成單邊帶發(fā)射機(jī)的任務(wù)，且保證通信質(zhì)量。43武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備一、單邊帶發(fā)射機(jī)的組成規(guī)律1單邊帶信號(hào)必須在低電平頻率處形成單邊帶信號(hào)由調(diào)制器和邊帶濾波器產(chǎn)生，它們都是不能承受高電平信號(hào)的，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真，因此總是將它們放在單邊帶發(fā)射機(jī)的最前端，常稱為“第一次調(diào)制”。

18、調(diào)制的任務(wù)是將音頻信號(hào)頻譜線性搬移到第一載頻位置上。44武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備2采用三次搬移方案中的“高中頻”方案 船用單邊帶發(fā)射機(jī)的射頻要求覆蓋1.6MHz27.5MHz，頻率高范圍大 。 三次搬頻方案的方框圖實(shí)例如下圖所示。 45武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 在三次搬頻方案中有一種稱為“高中頻”的方案獲得了廣泛應(yīng)用。圖56中，發(fā)射機(jī)第一載頻為1.4MHz，邊帶濾波器選取下邊帶；第二載頻為43.6MHz，帶通濾波器選取和頻，其工作頻率為45MHz；第三載頻為45MHz75MHz，低通濾波器選取差頻，通帶寬度及發(fā)射機(jī)輸出為0MHz30MHz。我們把第三調(diào)制(混頻)器的輸人頻率稱為中間頻率，它高于最高的工作頻率30MHz，這種中間頻率高于發(fā)射機(jī)最高工作頻率的方案，稱為“高中頻”方案。46武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備 采用高中頻方案，可減少輸出調(diào)諧手續(xù)(最后輸出采用低通濾波器)，降低對(duì)輸出濾波器要求，避免調(diào)制(混頻)器可能產(chǎn)生的雜散頻率落入通帶以內(nèi)，而且還可以與接收機(jī)配套使用。47武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院GMDSS系統(tǒng)與設(shè)備3放大器必須保證線性 為保證線性，應(yīng)選用功率容量較富裕的放大器件，并合理選擇工作點(diǎn)