4.1 無線電廣播發(fā)送與接收 廣播電視技術概論教學課件

第4章無線電廣播發(fā)送與接收技術 學習指導 本章重點 4 1無線電廣播技術基礎知識4 2中短波廣播發(fā)送技術4 3調頻的基本原理本章難點 調幅的基本原理調頻的基本原理中短波廣播發(fā)送技術4 4廣播接收技術選學內容 調頻立體聲廣播發(fā)送技術 4 1無線電廣播技術基礎知識 4 1 1模擬調制與解調技術 調制的原因 P90 1 有效的電磁輻射 根據天線理論 只有當發(fā)射天線的尺寸是被輻射信號波長的十分之一以上時 信號才能實現有效的輻射 2 節(jié)目信號的頻譜區(qū)分 對各個頻道的節(jié)目采用不同的載波進行調制 就可在頻譜上將它們區(qū)分開來 調制 Modulation 定義 利用欲傳送的低頻信號去控制高頻振蕩 載波 的某一參數 使之具有信號特征的過程 也即由攜帶信息的原始節(jié)目信號去控制高頻振蕩信號的某一參數 使該參數按原始電信號 調制信號 的規(guī)律變化的處理方式 調制和解調 P90 涉及到三種信號 載波信號 受調制的高頻交變信號調制信號 調制載波的信號已調波信號 調制后的載波信號解調 在接收端 從已調波上將它運載的信息檢取出來的過程 解調是調制的逆過程 調制和解調要用非線性電路實現 線性電路和非線性電路 定義上 線性電路是指完全由線性元件構成的電路 非線性電路是指含有一個以上非線性元件構成的電路 數學上 線性電路能用一個常系數線性微分方程加以描述 非線性電路不能用一個常系數線性微分方程加以描述 物理上 線性電路不會產生新的頻率分量 非線性電路一定會產生新的頻率分量 方法上 線性電路滿足疊加原理 非線性電路不滿足疊加原理 三類非線性電子線路 實現功率放大功能的電路 實現振蕩功能的電路 實現波形變換和頻率變換功能的電路 模擬調制方式 正弦交流電有三個要素 振幅 頻率 相位 1 調幅 AmplitudeModulation 2 調頻 FrequencyModulation 3 調相 PhaseModulation 由于 和 都是使高頻振蕩的總相角 t 0 受到調變 故統(tǒng)稱為角度調制 AngleModulation 簡稱調角 在調角時 高頻振蕩的振幅不變 調幅分類及廣播電視中對應業(yè)務 含有載波的雙邊帶調幅 簡稱普通調幅 主要應用于中波調幅廣播 抑制載波的雙邊帶調幅 DSB AM DoubleSideBand AM 又稱平衡調幅或抑載調幅 主要應用于調頻立體聲廣播 stereoFM 的副信道中差信號 S L R 對38 z副載波的調制 彩色電視中的色度信號 C t Usin sct Vcos sct 對彩色副載波 fsc 4 43M z 的調制 單邊帶調幅 SSB AM SingleSideBand AM 主要用于短波廣播中 殘留邊帶調幅 VSB AM VestigialSideBand AM 主要用于電視廣播中對圖象信號 P或V信號 對圖象載波fP 或fV 的調制 數字調制方式 數字調制信號 數字信號 數字調制三種方式 幅度鍵控ASK 載波的幅度隨數字調制信號而變化頻移鍵控FSK 載波的頻率隨數字調制信號而變化相移鍵控PSK 載波的相位隨數字調制信號而變化 一 調幅調制調幅波的波形 P91 1 調幅波的表達式 時域分析 90 信號表達式 I cos t載波表達式Iccos ct 調幅系數 調幅度 ma I Ic U Uc調幅度又可進一步分為上 下調幅度包絡函數Uc 1 macos t 保證不失真條件0 ma 1 2 調幅波的頻譜 P91 頻譜結構三部分組成 頻域分析 載頻分量fc幅度Uc上邊頻分量fc F幅度maUc 2下邊頻分量fc F幅度maUc 2通頻帶B 2F一條重要結論 調幅過程實質上是將調制信號u t 的頻譜進行 搬移 操作 搬至載頻的兩邊 相應的通頻帶B 2Fmax 即最高話音頻率的兩倍 調幅波的兩個重要參數 調幅度ma 反映調幅波振幅變化的相對程度 調幅度又可進一步分為上 下調幅度保證不失真條件0 ma 1通頻帶B 2Fmax 反映已調波的有效帶寬 AM電路模型 模擬乘法器 是核心部件 將輸入信號頻譜不失真地搬移到某一載頻的兩側 濾波器 取出有用分量 抑制無用分量 平衡調幅DSB AM 基本設想 只傳兩個邊帶 不傳載波 時域分析 已調波有兩個特點 高頻振蕩之包絡已不再是在載波振幅上下變化 合成包絡不再反映調制信號變化規(guī)律 但仍保持調制信號的特征 頻域分析 載波分量fc已經被抑制 頻譜中只含有上邊頻和下邊頻分量 調制效率 100 電路模型 模擬乘法器 平衡調幅波的特點 平衡調幅波的幅度與調制信號幅度的絕對值成正比 調幅信號為正值時 平衡調幅波與載波同相 調制信號電壓為負值時 平衡調幅被與載波反相 當調制信號電平過零而改變其電壓極性時 平衡調幅波相位隨之變化180 平衡調幅 平衡調幅的過程 將調制信號與被調制信號相乘 單邊帶調幅SSB AM 基本設想 只用一個邊帶依然保持調制信號的特征 并可節(jié)省一半帶寬 兩種方式 只傳送上邊帶的USSB AM和只傳送下邊帶的LSSB AM 時域分析 u t maUccos c t 2 上邊帶單邊帶調幅USSB AM 或u t maUccos c t 2 下邊帶單邊帶調幅LSSB AM 頻域分析 載波分量fc已經被抑制 頻譜中只含有上邊頻或下邊頻分量 電路模型 1 濾波法 2 相移法 優(yōu)點 1 提高信道利用率 B Fmax 2 節(jié)約發(fā)射功率 3 失真小 噪音小 保密性強 缺點 1 頻率穩(wěn)定度要高 尤其載頻要非常準確和穩(wěn)定 2 放大器線性放大要求高 3 需陡峭邊沿 截止性能高 的濾波器 殘留邊帶調幅VSB AM 基本設想 規(guī)定圖象信號全部保留上邊帶的0 6MHz 下邊帶保留頻率較低部分0 1 25MHz 以減少接收設備有成本 不產生失真 且易于實現發(fā)送特點 上邊帶0 6MHz全傳 下邊帶0 0 75MHz全傳 0 75 1 25MHz減傳 1 25MHz 6MHz不傳 發(fā)射總帶寬為1 25 6 5 0 25 8MHz 電路模型 首先對圖像載波fv進行雙邊帶調幅 再經殘留邊帶濾波器 斜切濾波器 形成電視發(fā)射信號 角度調制 頻率和相位的基本關系 角頻率 t 是總相角 t 對時間的一階導數 總相角 t 是瞬時角頻率對時間的積分 t d t dt t 0t t dt 0高頻已調波的通式 u t Uccos t Uccos 0t t dt 0 角度調制分類 調頻 FM 和調相 PM 兩種 角度調制的共性 1 高頻已調波的振幅Uc穩(wěn)定 2 高頻已調波的總相角 t 隨調制信號變化 二 調頻調制調頻波的波形 P93 調制調頻波分析 P90 調制信號 u t U cos t載波信號 uc t Uccos Ct調頻已調波的一般表達式u t Uccos Ct Kf 0tu t dt 瞬時角頻率偏移 t Kf u t Kf U cos t 根據調頻的定義 Kf稱為調制靈敏度 表示單位調制信號所引起的角頻移 瞬時角頻率 t C t C Kf u t 瞬時相位 t 0t t dt Ct Kf 0tu t dt Ct t 瞬時相位增量 t Kf 0tu t dt調頻波的相位變化量正比于調制電壓對時間的積分 26 將 調制信號 u t U cos t代入 調頻已調波的一般表達式u t Uccos Ct Kf 0tu t dt 得 u t Uccos Ct Kf 0tU cos tdt u t Uccos Ct Kf U sin t u t Uccos Ct mf sin t 所以 調頻已調波u t u t Uccos Ct mf sin t 調制指數 調頻系數 mf f Kf U 它表示在調頻過程中 瞬時相位 t 變化幅度 反應了調制深度 單位是 弧度 瞬時相位 t 0t t dt 0 Ct mf sin t 調頻波的頻域分析 mf 1時 窄帶調頻 它與AM中單音調制的頻譜結構相仿 區(qū)別是下邊頻分量相位差180O 當mf較大時頻譜的特點 1 頻譜由載頻分量和無窮多個邊頻分量所組成 邊頻與載頻之間角頻率相差n n 1 2 3 對于奇次邊頻分量 上 下邊頻的相位相反 反相 對于偶次邊頻分量 上 下邊頻的相位相同 同相 2 第n對邊頻分量的振幅為Jn mf Uc mf越大 邊頻分量越多 3 在某些mf值上 Jn mf 0 即第n對邊頻分量的振幅為0 在某些mf值上 J0 mf 0 即載頻分量的振幅為0 如mf 2 4時 載頻分量的振幅J0 2 4 0 調頻波的頻譜 P94 有效帶寬B B 2 mf 1 F 2 f F 調頻廣播標準規(guī)定 B 200kHz 電視廣播中伴音標準規(guī)定 B 250kHz 調制調頻已調波的特點 振幅恒定 始終保持Uc不變 角頻移 t fcos t 最大角頻移 最大角頻偏 f Kf U 瞬時相移 t mf sin t 最大相移為mf 當單音調制信號的振幅U 為恒定時 最大角頻偏 f Kf U 保持恒定 且不隨 而變化 但調制指數mf f fmax F卻是與調制角頻率 成反比 調制角頻率 越高 所引起的最大相移mf越小 三個截然不同的頻率參數 中心角頻率 C 瞬時角頻率 t 的平均值 最大角頻偏 f 表示瞬時角頻率偏離中心角頻率 C的最大值 并且它與調制信號的角頻率 無關 調制角頻率 表示瞬時角頻率變化的快慢 調制指數 調頻系數 mf f fm F 最大頻偏 調制頻率mf實質是最大的相位偏離值 表示在調頻過程中 瞬時相位 t 變化幅度 反應了調制深度 單位是 弧度 調頻波的功率關系 1 不論mf為何值 已調波的平均功率恒等于載波功率 2 改變mf的值會引起載頻分量與邊帶分量間功率的重新分配 但是總的平均功率仍保持不變 3 調頻時 邊帶功率是由載波功率分配提供 其大小由實際的頻譜結構所決定 AM FM調制指數的比較 調制指數調幅系數ma調頻系數mf相同點表示已調波調制深淺的程度 正比于調制信號幅度 與載波振幅成反比無關與調制信號頻率無關成反比取值范圍 0 1 任意含義已調波包絡變化程度已調波的最大相移關系式ma U Ucmf f Kf U 調幅與調頻的主要區(qū)別 P94 1 高頻載波振幅 調幅的振幅是變化的 調頻是等幅波 2 高頻載波頻率 調幅的高頻載波頻率不變化 調頻的頻率變化 并與調制信號的幅度成正比 3 已調波頻帶寬度 調幅后的信號所占的頻帶寬度為調制信號最高頻率的兩倍 調頻波所占的頻帶寬度要比調幅波寬得多 4 聲音質量 調幅保真度較差 收聽效果不夠滿意 調頻聲音清晰 保真度較高 抗干擾能力強 噪聲小 音質優(yōu)美動聽 可進行調頻立體聲廣播 使收聽者能獲得立體感 方位感 臨場感強的聲音 5 傳輸距離 調幅的傳輸距離和覆蓋范圍比調頻大 4 1 2無線電波的傳播特性1 無線電波的基本特性 P95 無線電波 電場和磁場的波動 電磁波 電場的變化會產生磁場 相反地 磁場的變化又會產生電場 在變動的電場周圍產生變動著的磁場 并且又在變動的磁場周圍產生變動的電場 電場和磁場的交替運動 向四面八方傳播出去 2 頻率和波長 頻率 電磁波在每秒鐘變化的次數 單位為赫茲 Hz 電磁波的傳播速度 在空氣中的傳播速度為光速3 108m s 周期 電磁波每變化一次所用的時間 單位為秒 s 波長 在一個周期內傳播的距離 單位為米 m 電磁波的頻率 f 波長 與波速 之間關系 f 附錄1無線電波頻段劃分 P295 電磁波傳輸方式 3 廣播電視波段 頻段 劃分 P96 中波 中頻 526 5kHz 570m 至1605 5kHz 187m 國內聲音廣播 短波 高頻 2 3MHz 130m 至26 1MHz 11 5m 國外聲音廣播 微波 可分為特高頻UHF 分米波 超高頻SHF 厘米波 極高頻EHF 毫米波 衛(wèi)星廣播通常使用C波段 3 9 6 2GHz 和Ku波段 11 7 12 2GHz 傳輸節(jié)目和衛(wèi)星廣播 微波頻率波段MicrowaveFrequencyBands 3 廣播電視波段 頻段 劃分 P96 超短波 包括米波 甚高頻 和分米波 特高頻 甚高頻VHF 米波 48 7MHz 6 16m 至223MHz 1 35m 又分為 三個波段 特高頻UHF 分米波 470MHz 0 64m 至958MHz 0 31m 主要用于地面電視廣播 可容納56個頻道 它又分為 兩個波段 電離層 電離層 從地球上空60公里到大氣層外緣幾千公里高度的空間內 大氣層中的空氣分子受太陽輻射的紫外線和X射線照射后 一部分氣體分子被電離 形成電子 正離子和負離子 電離層分層 白天有三到四層存在 按其高度排列為D E F層或D E F1 F2層 在夜間 D F1層消失 只有E F2層存在 4 電波的傳播途徑 1 天波傳播 經過電離層反射后到達接收點 2 空間波傳播 經過對流層在自由空間傳播 3 地波傳播 沿地球表面?zhèn)鞑?傳播距離比較 電離層 地面 直線 無線電波的傳播特性 P97 各波段電波的傳播特 P97 1 中波 白天主要由地波傳播 晚間D層消失 天波由E電離層反射可傳到較遠距離 鐵塔高度通常為四分之一波長 即幾十米至一百多米 所輻射的地波約可傳播200公里 各波段電波的傳播特點 2 短波 主要由天波傳播 F2電離層 衰落現象 由于電離層的電離程度和位置高度變化 傳播不穩(wěn)定 收聽的信號忽強忽弱 短波廣播的發(fā)射天線尺寸比中波要短小得多 發(fā)射機的功率也可以小得多 靠天波傳播的距離很遠 可達上萬公里 各波段電波的傳播特點 3 超短波 米波和分米波 只能靠空間波傳播 即在收 發(fā)兩點間直線的方向傳播 也稱為視距 視線距離 傳播 傳播距離一般只有幾十公里 發(fā)射天線架得越高傳播效果越好 各波