GMDSS设备(第二章)

1、1武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备第二章第二章 单边带通信原理及发信设备组成方案单边带通信原理及发信设备组成方案 无线电通信的目的在于利用无线电波传递信息。能实现通信的调制方式，目前比较成熟的有：调幅制、调频制、脉冲调制等。单边带制是在调幅制基础上产生的。 本章重点介绍单边带信号的数学表达式和波形，比较单边带制与调幅制的优缺点。2武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备2 21 1 单边带通信的机理单边带通信的机理 随着无线电通信的飞速发展，无线电波的某些波段出现了拥挤，特别是在短波、超短波更是如此，造成了电台间的互相干扰，严重地影响了通信质量。 另外，为提高接收机的信噪比，就必须

2、减弱噪声干扰，减少不必要的辐射波。 解决问题的方法之一是压缩信号所占的频带宽度。3武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 我们先讨论调幅制。 基本原理基本原理：调幅制是将携带信息的语音、图像或数字等信号(称为调制信号)调制到某高频信号(称为载波)上，使高频信号的振幅按上述信号的变化规律而变化，形成已调波，然后发射出去。4武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备假设载波信号为：式中： 分别为载波信号的振幅、角频率和初相角。一、分析单音频调幅： 若调制信号是单音频信号： 式中： 分别为调制信号的振幅、角频率和初相角。 则相应的调幅信号是: cccctVtucos tVtucos、V cccA

3、MttKVVtucoscos5武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备ccVVKm, 0 为简化之见，令于是： 将上式展开得： 式中：m是调幅系数，为防止过调制，要求m1。 ttmVtuccAMcoscos1 tmVtmVtVtuccccccAMcos21cos21cos6武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备单音频调幅的波形与频谱图，如下图所示。7武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 从以上分析，我们可以看出：(1)调幅信号的包络 完全反映了调制信号的变化规律。 (2)调幅波包络内的高频振荡相位连续，其高频频率为载波频率。 (3)单音频调制的调幅信号由载频 、上边频 、下边频 三

4、个频率分量组成。被传递的信息，即调制信号的振幅、频率和相位包含在上、下边频中。(4)上、下边频对称地分布在载频的两侧，振幅不超过载波振幅的一半。调幅波频带宽度B=2F。tmVccos1ccc8武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 实际的调制信号是多音频的信号，可视为许多单音频信号叠加后的信号。可以用以下式子表示：式中： 分别为调制信号第n个频率分量的振幅、角频率和初相位。 1cosnnnnntVtunnnV、9武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 将该信号对载波进行调幅，即使该式子与前面的载波信号表达式相乘，可得调幅信号表达式：式中： ，为第n个频率分量的调幅系数。 ccnnnnc

5、AMttVKVtucoscos1ccnnnncttmVcoscos111cos21cosnncncncccctmVtV1cos21nncncnctmVcnnVKVm10武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 从上式可看出，复杂信号调制的调幅波，包含一个载频分量和无数对上下边频分量。这些边频分量组成了两个边带，对称地排列在载频的两旁，分别叫上边带和下边带。复杂信号调制的调幅波波形与频谱图，如下图所示。11武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备复杂信号调制的调幅波波形与频谱图12武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备从对实际信号分析可进一步看出：(1)载频 与所要传递的信息 无关，即载

6、波不传递任何信息，所传递的信息只包含在边带中，且上下边带含有同样的信息。(2)调幅波包络与调制信号的波形完全一致，填充角频率为载波角频率。(3)调幅波占有带宽为调制信号中的最高频率的两倍。设调制信号最高频率为Fmax，则调幅波占有带宽为B=2Fmax。cnnnV、13武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 把信息调制在一个边带上进行通信的方式叫单边带通信，这种调制方式称为单边带调制，用SSB(Single Side Band)表示。 很显然，单边带通信与调幅通信相比，由于少发射了一个边带，则每个信道的频带宽度压缩了一半，也就是在规定的波段内可以容纳更多的电台。14武汉理工大学 航运学院GM

7、DSS系统与设备2.2 2.2 单边带信号和波形单边带信号和波形一、单音频调制的单边带波单音频调制的单边带波：如图23所示，它是一个角频率为 、振幅为1/2mVc的等幅波，它和调制信号的振幅及频率相关联，可以用来传递信息。 tmVtuccUSBcos21c15武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备单音调制的USB信号波形与频谱16武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备二、双音频调制的单边带波等幅双音信号由两个幅度相等、频率相差几百赫兹的正弦(或余弦)信号所组成，其表达式为： 式中： 。 ttVtVtVtu2cos2cos2coscos12122双ttV2cos2cos211217武汉理

8、工大学 航运学院GMDSS系统与设备 从图中可看出，等幅双音信号的包络为，峰值为 ，是每一单音幅度的2倍；填充角频率为 ，它在包络过0的A点，相位突变180，即若在A点之前信号从正降到0，则A点以后信号又从0变正而不是变负。V22118武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备(a) 等幅双音调制信号的波形和频谱19武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备(b) 受等幅双音调制的调幅信号的波形和频谱20武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备(c) 受等幅双音调制的上边带信号的波形和频谱 21武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备用等幅双音信号对载波调幅，可得调幅波： 从上式中取出一个

9、边带(如上边带)，可得等幅双音调制的单边带信号： 1cos21nncncncUSBtmVtuncncnntKVcos211 ttmVtuccUSB2cos2cos122武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备三、复杂音频调制的单边带波从复杂音频调制的调幅波表达式(23)中，取出一个边带(如上边带)，可得 1cos21nncncncUSBtmVtu1cos21nncncntKV23武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备复杂音频调制的单边带信号波形和频谱24武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备由此得到一个重要结论： 从频谱观点看，单边带调制实质上是一个频率线性搬移过程。当调制信号振幅和

10、频率变化时，所产生的单边带信号的振幅和频率作相应变化，从这个角度讲，单边带信号是一个调幅调相波。25武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备23 单边带通信的特点单边带通信的特点 单边带制与普通调幅制相比，在同样的通信效果下具有以下优点：一、占用的频带窄 因为单边带通信只利用调幅信号中的一个边带进行通信，所以节省频带。若调制信号带宽为 ，则调幅信号带宽为 ，而单边带信号带宽为 ，其中 、 分别为调制信号的最高频率和最低频率。FBSSBmaxAM2F=BminmaxF-F=FmaxFminF26武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备二、发射功率有效利用率高 对调幅发射机，其输出功率主要用来

11、发射不含任何信息的载波上，两个边频(带)功率仅占整个输出功率的13(满调制，即m=l时)，这是很不合理的。单边带通信克服了上述缺点，其发射机输出功率可以做到全部用来传递信息，这是节约的。27武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 在调幅发射机中输出功率通常是指载波的平均功率，但在单边带发射机中载波是被抑制掉的。输出功率是随着调制信号电平的高低而变化的，当不送调制信号时，输出功率就变成零。因此，对单边带发射机来说，通常用峰包功率来表示发射机输出功率的大小。所谓峰包功率是指在最大信号电平时，高频一周内的平均功率，用PEP表示。 28武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 通过对单音调制的单

12、边带信号峰包功率进行计算分析，在保证相同通信效果条件下，单边带信号的峰包功率只需要调幅波峰包功率的18，折合为9dB。这就是人们常说的单边带制在发射功率方面的9dB收益。 若以平均功率作比较，可以得出，单边带发射机的平均功率是调幅发射机的平均功率的13。可以证明，其它调制信号时，单边带发射机在平均功率方面收益更大。 29武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备三、抗选择性衰落能力强 由于电离层高度和浓度是变化的，不同的频率成分经过一定距离的空间传播后，会引起不同的幅度衰减，并引起不同的相位延迟，也会使合成后的总信号强度不断地变化，这就是电波的衰落现象。对于不同频率分量并具有不同衰落变化时，叫

13、做选择性衰落。30武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 实验证明，在有中等大小的选择性衰落时，调幅制通信和单边带制通信要获得相同的通信质量，调幅制发射功率要比单边带制发射功率大一倍，即单边带制与调幅制相比在发送功率方面又有3dB的收益。31武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备四、抗干扰性能好 调幅接收机的包络检波器在强信号时是线性的，弱信号时呈平方律特性，见图27。32武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 由图可看出，在同样输入信噪比下，单边带接收机输出端的信噪比要高于调幅接收机，并且SiNi越大，这个差值也就越大，说明在信噪比良好情况下，单边带信号抗干扰性能越明显。在信噪比

14、不佳时，即使调幅接收机不能工作了，单边带接收机还可能工作。33武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 不过单边带通信对设备要求更高，主要表现在下列三个方面： 1对载频的频率稳定度要求高 2对边带滤波器要求严格 3对收发设备的线性要求高34武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备第一个符号表示主载波的调制方式，其中：A表示双边带；H表示单边带载波；R表示单边带减幅载波；J表示单边带抑制载波；F表示调频；G表示调相。2 24 4 船用单边带通信的工作种类船用单边带通信的工作种类35武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 第二个符号是数字，表示调制信号的性质，如：1、表示不用调制副载波，但

15、包含数字信息的单信道；2、表示利用调制副载波且包含数字信息的单信道；3、表示包含模拟信息的单信道。36武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 第三个符号表示所发信息的类型，其中：A表示人工接收报；B表示自动接收报；C表示传真；0表示数据传输；E表示电话；F表示电视。37武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 船用单边带通信机是一种多功能通信机。其工作种类主要有以下几种：1载波抑制的单路单边带话，用J3E表示2载波部分抑制的单路单边带话，用R3E表示3全载波单路单边带话，用H3E表示4调频单路自动接收报，用F1B或J2B表示38武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 单边带发信机方框

16、由激励器EXCITER、功率放大器POWER AMPLIFIER（线性功放与合成）、自动天线调谐单元ANTENNA TUNE UNIT(ATU)、天线、控制微机、电源等部件组成。25 船用单边带发射机组成规律及框图39武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备单边带发射机组成 40武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 单边带信号的产生方法通常有两种：滤波法和移相法。船用单边带发射机中广泛使用的是滤波法，其基本环节是调制和滤波。单边带信号产生原理图 41武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 船用单边带通信机所用边带滤波器的技术要求 如下图所示。图中画的是上边带滤波器，有用边带是上边带

17、，而下边带是无用边带。边带滤波器(带通滤波器)的衰耗频率特性可分为三部分，即通带、阻带和过渡带。42武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 单边带发射机的任务主要是调制、搬频和放大，因此其内部必定包含有许多线性和非线性元件，如滤波器、线性放大器、调制器、混频器等。必须将这些元件合理组织起来方能完成单边带发射机的任务，且保证通信质量。43武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备一、单边带发射机的组成规律1单边带信号必须在低电平频率处形成单边带信号由调制器和边带滤波器产生，它们都是不能承受高电平信号的，否则会产生严重的非线性失真，因此总是将它们放在单边带发射机的最前端，常称为“第一次调制”。

18、调制的任务是将音频信号频谱线性搬移到第一载频位置上。44武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备2采用三次搬移方案中的“高中频”方案 船用单边带发射机的射频要求覆盖1.6MHz27.5MHz，频率高范围大 。 三次搬频方案的方框图实例如下图所示。 45武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 在三次搬频方案中有一种称为“高中频”的方案获得了广泛应用。图56中，发射机第一载频为1.4MHz，边带滤波器选取下边带；第二载频为43.6MHz，带通滤波器选取和频，其工作频率为45MHz；第三载频为45MHz75MHz，低通滤波器选取差频，通带宽度及发射机输出为0MHz30MHz。我们把第三调制(混频)器的输人频率称为中间频率，它高于最高的工作频率30MHz，这种中间频率高于发射机最高工作频率的方案，称为“高中频”方案。46武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备 采用高中频方案，可减少输出调谐手续(最后输出采用低通滤波器)，降低对输出滤波器要求，避免调制(混频)器可能产生的杂散频率落入通带以内，而且还可以与接收机配套使用。47武汉理工大学 航运学院GMDSS系统与设备3放大器必须保证线性 为保证线性，应选用功率容量较富裕的放大器件，并合理选择工作点