第一章无线电系统技术基础

软件无线电基础任课老师：杜青松信息科学与工程学院1通信系统的一般组成信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。2通信系统的一般组成噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。3数字通信系统的组成4第一章无线电技术基础5本章学习的主要内容无线电技术起源与发展1无线电系统的结构

2无线电系统的实用技术

3无线数字通信系统4数字无线电技术56无线电技术起源1.1无线电技术起源与发展通信是伴随人类进步的推动力

烽火台旗语200多年以前现代文明还未启动，人类已经进行了大量远距离通信的探索。7电的发明推动现代通信诞生电的发现与现代通信BenjaminFranklin(1706-1790)MichaelFaraday(1791-1867）SamuelMorse(1791-1872)AlexanderGrahamBell(1847-1922）“上帝创造了何等的奇迹！”

电话之父

8电磁场电磁波理论推动无线通信的发展无线通信发展JamesClerkMaxwell(1831-1879)HeinrichHertz(1857-1894)

1887年，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，证明了麦克斯韦理论的正确性。1873年，麦克斯韦发表了电磁辐射理论，成为无线电领域中最为重要的理论基础。9电磁场电磁波理论推动无线通信的发展

1895年意大利发明家马可尼（Marconi）试验无线电通信成功。

1901年,他成功地用莫尔斯电码跨越大西洋传输无线电信号，开创了人类对无线电技术的开发和应用。他被称为“无线电之父”。10无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展军事上：电台，雷达等民用上：广播/电视/无限通信/卫星通信等11无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展早期的雷达（英国）12无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展13无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展14无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展15无线通信的应用迅速发展1.1无线电技术起源与发展16无线电系统1.1无线电技术起源与发展从无线电技术的发展过程可以看到，无线电系统包括无线电通信、导航、定位、测向、雷达、遥控、遥测、广播、电视等各种无线电设备。概括而言，利用电磁波的传播进行信息传输或信息获取的电子系统都是无线电系统。17无线电系统的最简结构1.2无线电系统的结构直放式无线电系统是最为简单的无线电系统。例：一个基于语音传输的直放式无线电系统结构如下图所示：18无线电系统的最简结构1.2无线电系统的结构存在两个问题：1、天线辐射效率低：当天线的有效长度接近半波长的正整数倍时，可以获得较高的辐射效率。2、不能多路传输：由于采用语音通话频带，不能同时传输多路语音信号。解决办法：采用调制/解调技术。19无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构20无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构在发射端增加调制环节，在接收端增加解调环节。选用不同的载波频率可以在同一空间里同时传输多路语音信号—频分复用技术。发射机发射的信号频谱必须严格限制在所分配的频道范围内，否则将影响到相邻频道的其他无线电设备的正常使用。21无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构接收机则相反，它只能接收自己所在频道的无线电信号，否则将受到相邻频道的影响。因此在无线电系统中，必须有信号频谱的选择单元。信号频谱的选择在实际系统中是由滤波器来完成的。发射机有发射滤波器，接收机则有选频滤波器。22无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构对于无线电接收机，其天线接收到的是所需频点相邻的一定范围内的所有无线电信号，因此从天线进入接收机的信号首先要根据自己分配的频道进行选频滤波处理，以保留所需频道的信号，滤除相邻频道的信号，避免邻道干扰。此功能由选频滤波器完成。23无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构对于无线电发射机，其信号的调制是利用器件的非线性来实现的。信号经过非线性系统后，除了所需的信号成分外，还会包括许多不需要的频率成分，这些成分称为谐波失真或杂散失真。在信号发射前，必须采用滤波器将这些不需要的成分滤除，否则就会对相邻的频道造成干扰。24无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构滤波器是无线电系统中的核心器件之一，滤波器的选频特性要受到实际器件水平的限制。衡量滤波器选频能力的指标是品质因数。滤波器的品质因数：又称为滤波器Q值，用滤波器的中心频率与3dB带宽的比值来表示。滤波器Q值描述了滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。25无线电系统的基本结构1.2无线电系统的结构滤波器Q值越大，表明滤波器的频谱分离能力越强。由于受到实际器件工艺水平的限制，高Q值的滤波器在生产时存在着很大的困难。因此，高Q值的滤波器在实际工程中是很难实现的。因此基本结构的无线电系统存在着实际滤波器Q值限制的缺点，工程实现很困难。26无线电系统的基本结构[例1]

在基本结构的无线电系统中，假定所接收的的频道2相邻有频道1和频道3，如下图所示。其中频道2的中心频率为95.6MHz，频道带宽为0.15MHz，频道间隔为0.05MHz。试计算接收机输入选频滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构27无线电系统的基本结构[例2]

在基本结构的无线电系统中，假定调制信号为单频正弦信号，其频率为3kHz，载波频率为30MHz。调制方式为振幅调制。（振幅调制一般采用二极管的非线性来实现）试计算发射机输出滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构28无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构解决实际滤波器Q值限制的工程方法有两种：一种是增加相邻频道的频率间隔；另一种是降低滤波器输入信号的中心频率。前一种方法可以有效地降低发射机和接收机的实现难度，在无线电技术发展的早期非常适用，其缺点是大大降低了电磁频谱的利用率，对频谱资源造成很大的浪费。29无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构后一种方法则需要采用混频器将信号频谱搬移到较低的频率上进行再次滤波。这种方法是目前无线电系统最为常用的方法。由于混频器也属于非线性电路，因此混频器的输出也会产生很多不需要的谐波分量，需要采用滤波器进行滤除。实用的无线电系统结构如下图所示。30无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构31无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构在发射端，语音信号先经过一个频率较低的载波调制、调制后，再向上混频到发射频率。接收机接收到的信号先经过下混频到较低频率后，再解调输出。未调制的原始信号为音频、视频或基带信号。调制后或解调前的已调信号称为中频信号。最终经天线发射或接收的信号称射频信号。32无线电系统的实用结构[例3]

在实用结构的无线电系统中，假定所接收的的频道2相邻有频道1和频道3，其中频道2的中心频率为95.6MHz，频道带宽为0.15MHz，频道间隔为0.05MHz。频道2接收信号经混频得到的中频信号的中心频率为10.7MHz。试计算接收机输入选频滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构33无线电系统的实用结构1.2无线电系统的结构为了进一步降低对滤波器实际选频特性的要求，当射频频率太高时，已调的中频信号与射频信号间的频谱搬移往往需要采用多级混频结构才能完成，这时中频信号就根据其频率的高低顺序依次称为第一中频、第二中频等。采用多级混频的方式可以大大降低系统对滤波器选频特性的要求，有利于工程实现。34无线电系统的实用结构[例4]

在实用结构的无线电系统中，采用两级混频结构，假定调制信号频率和射频频率与例2相同。取载波频率为60kHz，第一级混频器输出频率为1.5MHz，第二级混频器输出频率为30MHz。试计算系统中各级滤波器的Q值。1.2无线电系统的结构35无线电系统的实用结构[例4]频谱变化示意图1.2无线电系统的结构36无线电系统的常用技术1.3无线电系统的常用技术低噪声放大技术自动增益控制（AGC）技术超外差接收技术收/发双工技术37低噪声放大技术1.3无线电系统的常用技术在无线电系统中，接收灵敏度是接收机最为重要的性能指标。接收灵敏度是指在保证所要求的输出信噪比的条件下，接收机所需的最小输入功率。为使接收机能够接收更为微弱的信号，需要提高无线电接收机的灵敏度，最直接的手段是在接收机前端增加一个射频放大器。38低噪声放大技术1.3无线电系统的常用技术由于通过天线进入无线电接收机的信号都非常微弱，因此位于接收机最前端的放大器的噪声系数对整个接收机的噪声系数具有至关重要的影响。为保证整个接收机的噪声系数满足使用要求，应使所增加的射频放大器的噪声系数应尽量小，因此必须采用低噪声放大器（LNA）。39自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术在无线电接收机中，其输入的信号强度会随着与发射机之间距离的远近、信号传播信道的环境等因素的变化而变化。如果接收机的增益是固定的，则其输出信号的强度就会随着输入信号而变化，过强的输出信号会使接收机饱和，从而影响到用户的使用。40自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术在无线电接收机中，为了使其输出信号的强度保持相对稳定，接收机的增益应该随着输入信号的强度大小自动调整。这一技术称为自动增益控制（AutomaticGainControl,AGC）。自动增益控制系统的工作原理如下图所示。41自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术42自动增益控制技术1.3无线电系统的常用技术自动增益控制的工作原理是：可控增益放大器的输出先经过均值/峰值检测器检测出其均值或峰值，低通滤波后经直流放大器进入电压比较器，与设定门限比较后，由控制信号发生器按负反馈的原则产生控制电压，从而控制可控增益放大器的增益，以保持其输出信号电平基本不变。43超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术在基本结构及实用结构的无线电系统中，无线电接收机接收不同的信道时，其选频滤波器的中心频率就要跟随信道而变化。这时，如果混频器的本振频率不变，则其输出的中频频率也会相应改变，其后的滤波器的中心频率也需要相应调整，从而使得接收机结构复杂化。解决方案：超外差接收技术。44超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术超外差无线电接收机的系统结构如下图所示：45超外差接收技术1.3无线电系统的常用技术在超外差接收机中，其中频频率是固定不变的，因此就要求其本振频率和选频滤波器的中心频率能够同步改变，以接收不同频率的信号。这种接收技术称为外差技术。当取中频频率低于射频频率且高于信号带宽时，就称为超外差技术。超外差技术的优点：灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部分可标准化等。46收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线通信的工作方式：单工通信指通信双方电台交替地进行收信和发信，根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。同频(单频)单工：双方收发使用同一工作频率异频(双频)单工：双方收发使用两个频率47单工通信

通信双方电台交替地进行收信和发信。单工方式

同频单工双频单工Play48收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线通信的工作方式：半双工通信指通信的双方有一方在通信的过程中既能发射信号也能接收信号（同时进行），而另一方只能是单工工作。49半双工通信通信双方中，一方使用双工方式，即收发信机同时工作；另一方使用双频单工方式，即收发信机交替工作。Play50收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线通信的工作方式：双工通信指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方在发话的同时也能收听到对方讲话，不需采用PTT(“按-讲”)的方式。51双工通信通信双方均同时进行收发工作。即任一方讲话时，可以听到对方的话音。play52收发双工技术1.3无线电系统的常用技术无线电系统的收发双工技术指的是天线共用的技术。因为大部分的无线电系统都是既有发射机，又有接收机，具有发射和接收两种工作模式。为了降低系统的成本和体积，一台无线电系统一般只有一套天线，发射和接收时都共用同一套天线。53收发双工技术1.3无线电系统的常用技术发射机和接收机共用同一套天线的技术称为收发双工技术，天线共用的设备称为双工器（或称为天线共用器）。收发双工器的作用是将发射机和接收机隔离开来，以防止发射机工作时其信号进入到接收机，从而影响接收机的正常工作甚至烧毁。54收发双工技术1.3无线电系统的常用技术收发双工器最主要的技术指标是收发隔离度，用于表征发射机功率泄漏到接收机的大小。常见的收发双工技术有三种：时分双工频分双工环行器双工55收发双工技术1.3无线电系统的常用技术时分双工：从时间上将系统的发射与接收分隔开来。时分双工示意图如下所示：56收发双工技术1.3无线电系统的常用技术时分双工技术的优点：收发可以采用相同的频率，可以节省频率资源；收/发隔离度可以做得很高，可以用于超远程雷达等特大功率发射机的场合；只需要收/发开关，实现成本低，因此广泛用于对讲机等通信设备中。57收发双工技术1.3无线电系统的常用技术频分双工：从频率上将系统的发射与接收分隔开来，如下图所示：58收发双工技术1.3无线电系统的常用技术频分双工中收、发的隔离是由滤波器完成的，收发滤波器的频率响应如下图所示：59收发双工技术1.3无线电系统的常用技术接收机的滤波器2对发射频率fT有很强的陷波作用，以尽量减小发射信号对接收机的影响。发射机的滤波器1在接收频率fR上有很强的陷波作用，以尽量抑制发射信号中与接收频率相同的杂散分量，以提高接收机的灵敏度。60收发双工技术1.3无线电系统的常用技术频分双工技术的特点：最大的优点是收、发可以同时工作，因此广泛应用于移动通信、微波中继通信等系统中；缺点是收、发必须占用不同的频率，如果要做到较高的收发隔离度，则要求收发之间的频率间隔较大，占用较多的频谱资源。61收发双工技术1.3无线电系统的常用技术环行器双工技术：利用环行器本身特有的单向传输高频信号能量的特性来实现收/发隔离。环行器是一个多端口器件，其中电磁波的传输只能沿单方向环行，例如在下图中，信号只能沿①→②→③→④→①方向传输，反方向是隔离的。62收发双工技术1.3无线电系统的常用技术环行器单向传输的机理是由于采用了铁氧体旋磁材料。这种材料在外加高频波场和恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性。这种旋磁特性使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转（法拉第效应）以及电磁波能量强烈吸收（铁磁共振），从而实现高频信号能量的单向传输。63收发双工技术1.3无线电系统的常用技术环行器双工技术原理如下图所示：64收发双工技术1.3无线电系统的常用技术由于环行器具有单向传输高频信号的特点，因此上图中发射机输出的信号功率只能沿箭头方向传输到天线，而从天线接收来的信号也只能沿箭头方向传输到接收机中。环行器双工技术的优点是能够连续实现收/发之间的同频隔离，其缺点是收发隔离度不高，一般在30dB左右。65无线数字通信系统的结构1.4无线数字通信系统无线数字通信系统是指利用无线电传输数字信号的系统。无线电系统最早传输的就是数字信号——莫尔斯电码。无线电的应用就是从无线电报开始的。无线数字传输系统采用了数字调制解调技术，其结构见下图：6667无线数字通信系统的特点1.4无线数字通信系统数字信号噪声容限大，抗干扰能力强。远距离中继时容易再生和复制。采用接入、复用等技术，可以充分利用信道带宽。采用扩频、差错控制技术，可以进一步提高系统抗干扰能力。68无线数字通信系统的特点1.4无线数字通信系统利用低成本的VLSI技术，系统容易集成，一致性好。所传输的数据容易存储、显示和处理。采用加密技术可以对数据进行保护。需要复杂的同步技术来保证系统的正常工作。69数字无线电技术基础1.5数字无线电技术传统的模拟无线电系统采用模拟信道技术，其结构复杂，集成度低，调整困难，体积大功耗大，运用不灵活。因此随着数字电路技术的飞速发展，无线信息传输系统的信道技术也逐渐数字化。在传统的模拟无线电技术中，信号的处理大多采用实信号处理技术；而数字无线电则多采用复信号处理技术，即正交双通道技术。70数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、实信号的复解析表示（正交分解）实信号的正交分解是数字无线技术的重要基础。利用希尔伯特变换，一个实信号可用复解析表达式描述如下：71数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、实信号的复解析表示（正交分解）易知：其中均为实信号，分别称为相应复信号的同相分量和正交分量。72数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、实信号的复解析表示（正交分解）由复解析表达式很容易求出信号的3个主要特征参数：瞬时包络、瞬时相位和瞬时角频率。73数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、实信号的复解析表示（正交分解）实信号的复解析表示及瞬时包络、瞬时相位和瞬时角频率表达式是数字无线电和软件无线电技术中信号分析、解调、识别和测量的理论基础。74数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调一个已调信号是实窄带信号，可表示为：其相应的复解析表达式为：75数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调其基带调制信号为：其实部和虚部分别称为I信号和Q信号。由已调信号获得基带信号的过程称为正交解调，其相反的过程称为正交调制。76数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调77数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调正交调制和解调的系统模型如上图所示。正交调制与解调的系统结构为正交双通道结构，分别称为I通道和Q通道。实现的关键：一是需要产生两个正交的载频；二是需要严格保证两通道幅度、相位平衡（幅相一致性）。78数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调正交调制和解调有模拟和数字两种实现方式。模拟实现时，正交本振、混频器和滤波器均采用模拟电路实现。由于受模拟器件的离散性、温度效应等的影响，正交双通道的一致性很难保证。79数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、正交调制和解调数字实现时，正交本振、混频器和滤波器均采用数字电路实现。由于数字电路具有一致性好的特点，因此可以获得很好的通道一致性，本振相位的正交性采用数控振荡器技术也能得到很好的保证。80数字无线电技术基础1.5数字无线电技术3、数控振荡器数字无线电系统中，如何获得良好的正交本振是数字正交调制和解调的关键。保证双通道本振输出信号正交性的关键技术是数控振荡器

(NumericControlOscillator,NCO)技术。NCO的原理框图如下图所示。81数字无线电技术基础1.5数字无线电技术3、数控振荡器82数字无线电技术基础1.5数字无线电技术3、数控振荡器NCO的正弦波表是按照一定的相位精度和幅度精度将正弦函数值量化后事先存储于存储器中。设正弦波表的相位量化位数为，则其相位分辨率为83数字无线电技术基础1.5数字无线电技术3、数控振荡器对于给定的时钟频率fCLK，其本振频率为其频率分辨率为84数字无线电技术基础1.5数字无线电技术3、数控振荡器NCO的相位分辨率和频率分辨率均取决于相位量化位数，越大，NCO的相位分辨率和频率分辨率就越高，也就越容易保证两路本振的正交性。85数字无线电系统结构1.5数字无线电技术数字无线电和模拟无线电系统的区别在信道结构上表现为正交双通道结构，在基带信号处理上表现为复解析信号的数字处理。根据模数转换在数字无线电系统中所处的位置不同，可将数字无线电系统分为零中频数字基带、超外差式数字基带和超外差式数字中频三种常见结构。86数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、零中频数字基带接收机87数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、零中频数字基带接收机射频信号首先经带通滤波器选频、低噪声放大器放大后，分两路进行正交混频。混频器输出的两路信号经低通滤波器、放大后进行A/D转换，得到数字基带I、Q信号，经数字信号处理，得到所需的调制信息。88数字无线电技术基础1.5数字无线电技术1、零中频数字基带接收机由于在这种结构中，正交混频所需的本振频率与射频频率基本相同，混频器输出的中频频率约等于零，所以称这种结构为零中频接收机。零中频数字基带接收机结构简单、体积小、功耗低，广泛应用于无线寻呼机等小型无线接收设备中。89数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、超外差式数字基带收发机零中频数字基带接收机在工程中的一些固有的缺点使其不适用于收/发双工的结构。在收/发双工的数字无线电系统中，一般采用超外差式数字收/发结构。超外差式数字基带收发机系统结构如下图所示。9091数字无线电技术基础1.5数字无线电技术2、超外差式数字基带收发机输入接收机的射频信号先经双工器、低噪声放大、下混频后得到固定的中频，然后再经过正交混频、滤波、放大、A/D变换后得到数字基带I、Q信号，经数字信号处理得到调制信息。92数字无线电技术基础1.5数字无