电子科技大学-软件无线电-第一章-绪论

1、1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 电子科技大学电子科技大学- -软件无线电软件无线电- -第一章第一章- -绪论绪论 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 第一讲 无线电系统结构与技术 刘光辉 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 2 本讲内容: 1.1 基本概念 1.2 无线电频谱及分配 1.3 无线电应用系统 1.4 无线数字通信系统与数字无线电 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 无线电应用系统 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 4 1.3.1 单工无线电接收机设计 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 2. 设计需要考虑的问题 如何收听指定

2、的电台节目？ 选频滤波：谐振滤 波器、频率选择性 信号太弱，怎么办？ 功率放大 信号太强，怎么办？ 接收动态范围：固定/可变 增益放大、AGC技术 如何判断各种收音机的接收质量？ 信噪比 （SNR）：内部噪声、噪声系数 5 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 3. 直放式无线电收音机设计（最简单） 6 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 接收机灵敏度（sensitivity） 定义：在保证所要求的输出SNR的条件下，接收 机所需的最小输入功率。 表征接收机接收微弱信号的能力；灵敏度越高， 能够接收到的信号越弱。（一般-100dBm） 接收机灵敏度与设计有关，同时受到噪声电平的

3、限制。 可分为外部噪声和内部噪声： 外部噪声：是通过天线引入的无线信道噪声（天电噪声、宇宙噪声）、 天线热噪声、电源噪声、工业噪声等 用输入信噪比表征。 内部噪声：来自接收机内部电路，电阻元件、放大器、混频器等都会产 生噪声 用噪声系数表征。 7 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 提高接收机灵敏度的方法： 要想提高灵敏度，必须尽量减小噪声电平 要减小噪声电平：首先，抑制外部的干扰（噪声）； 其次，尽量减小接收机内部的噪声 采用选频滤波器、低噪声射频放大器，并合理分配接 收通道各部分的增益（减小后置电路对接收机系统灵 敏度的影响） 8 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 选频特

4、性 接收输入信号频谱包含与所需频点相邻的一定范 围内的所有无线电信号。 目的：接收所需要频道的信号，滤除临近频率信 号对接收信号的干扰。其性能由接收机选频特性 表征。 9 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 设计要求： 保留所需频道信号，滤除相邻频道信号，即选频特性 好 要能够收到不同频道的信号滤波器的中心频率可变 采用LC滤波器（谐振滤波器），其选频特性差 选频特性常用品质因素Q来表征： 10 对载频高、带宽窄的信号，LC滤波器的Q值难以 满足实际要求。 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 接收机选择性与接收机内部频率的选择以及接收 机高、中频部分的频率特性有关。 解决滤波器

5、Q值限制的工程方法： 增加频道间隔 浪费频谱资源 降低滤波器输入信号的中心频率 混频后再滤波 11 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 基于混频器技术的无线电接收机：设输入信号同上例相同， 混频后的中频信号为 12 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 噪声系数（Noise Figure） 理想的接收机：本身只放大天线输入的信号和噪 声，而不另引入其它噪声。 实际的接收机：总是要产生内部噪声，除天线的 热噪声外，还有接收机本机的噪声。 噪声系数是表征电路内部噪声电路内部噪声大小的物理量。 噪声系数定义为电路网络输入信噪比和输出信噪 比的比值，表达式为： 13 / / iioio

6、oooii SNNNN NF SNSSGN G为接收机功率增益 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 通常情况下，NF 1；理想情况为NF = 1。 输出噪声可以理解为输入噪声放大后，与电路内 部噪声之和，即： 14 / / (1) ii ii i SN NF GSGN G N NF 考虑两个电路元件的情况： 121122 / / ii ii SN NF SGGN GG 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 无线电接收机由许多单级的电路网络（如：混频 器、滤波器、放大器等）组成，由此可得级联系 统的噪声系数： 15 位于接收机最前级的放大器的噪声系数对整个系 统的噪声系数影响更大低

7、噪声放大器LNA 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 16 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 增益动态范围 到达接收机的无线信号一般很微弱，需要功率放大后才能 解调出需要的信息。 接收机增益G表示接收机对接收信号的放大能力，它是输 出信号与输入信号的功率比。 收发机间相距的远近、信号传播信道的环境等因素的变化 接收机输入的信号强度的变化。 为接收机输出的信号强度相对稳定，接收机的增益应随输 入信号强度的大小自动调整 自动增益控制技术（ Automatic Gain Control，AGC）。 接收机动态范围表示接收机正常工作时所允许的输入信号 的强度变化范围(6080dB12

8、0dB)。 17 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 AGC是一个闭环负反馈自控控制系统，是接收机 最重要的功能电路之一。 接收机总增益通常分配在各级AGC电路中，各级 电路的级联构成总的增益。 在接收信号很强时，可能会对信号进行衰减。 通常接收机第一级AGC的输入信号动态范围最大 ，且要求具有衰减作用，以提高接收大信号的能 力。 AGC必须保证放大器工作在线性区域。 18 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 19 增益控制实现原理框图 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 直放式接收机特点 优点：结构简单，动态范围小 缺点：选频效果差，灵敏度低。(信号带宽一定的 情况下

9、，信号中心频率越高，要求选频滤波器的 Q值越高。) 20 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 4. 超外差式接收机 外差技术（Heterodyne）：接收机的本振频率和 选频滤波器的中心频率能够同步改变，以接收不 同频道的信号。1918年Edwin Armstrong提出。 超外差技术（Superheterodyne, 简写为superhet ）：中频频率fIF是固定不变的，且低于射频频率 fRF且高于信号带宽B 。 现在所有的无线电接收机 都运用超外差原理。 镜频干扰：在射频上对称地位于本振频率两边的 两个信号，互为镜频。 改善镜频抑制比 采用高中频方案。 21 1.3 无线电应用系

10、统 数字无线电系统基础 22 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 天线与混频器之间一般有RF放大器。 本振的调谐可以用可变电容或变容二极管实现。 混频器使用非线性器件产生差频信号，除了主要 频率分量fRF , fLO , fRF + fLO , fRF - fLO 外，还可能包 括更高阶的互调成分。 中频频率常常选择fIF = fRF - fLO 或者fIF =fLO - fRF ，往往小于fRF 。 混频器产生附加成分以及前端滤波器未滤掉的其 它频段的成分在中频滤波器处滤除。 镜像频率fIM比fRF高（或低）2fIF ，因此选择一个 高fIF有助于改善频率选择特性。 23 1.3 无

11、线电应用系统 数字无线电系统基础 IF放大器由于运行在较低的频率上，因此： 更容易获得高的选频特性（中心频率低） 可以获得更高的增益。放大器有恒定增益带宽积，如 100MHz, 在10MHz处增益为10，在1MHz处却有100的 增益。 此要求与前端抑制镜像频率的需求矛盾。因此一些无 线电系统需要通过几级混频，第一级混频主要考虑选 频特性（用较高IF），第二级混频用较低IF获取增益。 IF的选择形成了成熟的方案，其频率也是不能随 便使用。中波AM的IF为455kHz，FM广播为 10.7MHz，电视接收机38.9MHz（欧洲）、 45MHz（美国），卫星和地面微波70MHz。 24 1.3 无

12、线电应用系统 数字无线电系统基础 超外差接收机特点 优点：选频效果好，灵敏度高，动态范围大； 缺点：结构复杂，有镜频干扰（镜频抑制比）， 本振泄漏（连续波发射机，多个接收机同时运行 可能相互干扰，可以检测超外差接收机），本振 边带噪声（相位噪声）对接收机性能产生影响。 超外差无线电接收机在结构上可以分为射频(RF) 、中频(IF)和基带三个部分。 25 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 1.3.2 双工无线电收发机的设计 26 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 无线数字通信系统 信源的数字化 无线数字通信 无线电通信最早的形式就是数字化的：Moorse电 报码 数字信号的传

13、输也需要调制/解调技术： 改变单一参数：ASK, FSK, PSK 同时改变两个参数：QAM, MSK等 模拟通信系统传输数字信号，多次中继恶化SNR 数字通信系统，中继恢复，发射 无线数字通信系统相比模拟系统有很多优点：可 靠性高，安全性好，灵活性强，实现成本更低。 27 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 收发机与双工技术 通信系统同时具备收发功能 双工技术支持 为了降低成本 共用天线 双工器的功能就是收发隔离 双工技术： 时分双工：同频，隔离度高，成本低 半双工系统 频分双工：陷波滤波器实现，隔离度差，可同时工作 环行器双工：利用铁氧体材料的旋磁特性单向传输高 频信号，实现收发同

14、频隔离 频分双工与环行器可以结合使用提高隔离度 28 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 29 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 30 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 31 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 32 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 33 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 34 1.3 无线电应用系统 数字无线电系统基础 35 1.4 无线数字通信系统与数字无线电 数字无线电系统基础 无线数字通信系统与数字无线电 1.4 无线数字通信系统与数字无线电 数字无线电系统基础 系统概念 信源数字化无线数字通信 信道数字化数字无

15、线电 信道软件化软件无线电 无线数字通信系统相对于无线模拟信息传输系统 的根本区别在于：信源的数字化。 但其传输通道中各环节采用的电路技术仍然是模拟的 ，如：调制/解调、信道分离、混频和滤波等 缺点：模拟信道技术结构复杂、集成度低、调整困难 、体积功耗较大、运用不灵活 37 1.4 无线数字通信系统与数字无线电 数字无线电系统基础 数字无线电技术 数字无线电技术：采用数字化信道技术，利用VLSI的成果 ，系统易于集成化、小型化，相比模拟系统，其体积更小 、功耗更低。 数字无线电系统采用正交双通道结构获得基带I、Q信号， 采用数字信号处理技术进行基带处理，因此系统具有一定 的可编程性、功能灵活、易于扩展。 缺点：模拟/数字无线电系统，其系统结构都是面向特定 用途的，其功能相对单一，结构固定，因工作频段、调制 方式、波形结构、通信协议、编码方式的不同而不同，不 能互通互联，系统结构硬件化。 38 1.4 无线数字通信系统与数字无线电 数字无线电系统基础 软件无线电 构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台， 将工作频段、调制/解调方式、数据格式、加密模式以及 通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D和D/A 转换器尽量靠近天线，以实现高度灵活性和开放性的新一 代无线电系统。 特点： 功能灵活：功能由软件决定，软件模块可通过空中接口以无线加 载方式来改变 结构开放性：结构