第二章甚高频通信系统课件.ppt

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1、2023/3/17,第二章 甚高频通信系统,中国民航大学电子信息工程学院,王璐,2,第二章 甚高频通信系统,3,2.1 超短波传播特性,超短波通信利用波长为10m-1m（30MHz-300MHz）的电磁波进行无线电通信，多用于电视、雷达、民航和移动电台等通信；也称为甚高频（VHF）无线电通信是全世界主要的航空移动通信方式，能提供快捷、便宜而可靠的空地视线范围的通信。,4,电磁波直达路径天线发射功率GSM手机：3.2mW-2W气象雷达：几百-几千W一次雷达：几千W二次雷达：几千W,球表面积,空间某处的功率，与到天线间距离的平方成反比,2.1 超短波传播特性,5,电磁波直达路径功率通量密度（PFD

2、,power flux density）：球表面上单位面积的辐射功率值接收天线有效孔径Ae（单位：m2）：接收天线所接收的功率：,2.1 超短波传播特性,6,电磁波直达路径自由空间的路径损耗两边取对数、化简,2.1 超短波传播特性,7,例 A.假设视距传输，求一个飞机VHF发射机与一个300 km远的接收站之间的最大自由空间路径损耗。B.假设发射机的发射功率不变，欲使接收机接收到四倍的功率，飞机与接收站的距离需要变为多远？解：A.B.,在自由空间条件下，欲使传播距离翻倍，应使发射功率增至四倍,2.1 超短波传播特性,8,电场强度与发射功率的关系电路类似的，场,自由空间阻抗,2.1 超短波传播特

3、性,9,电场强度与发射功率的关系（续）,电场强度与接收功率的关系,2.1 超短波传播特性,10,无线电地平线的计算A点处有一飞机，海拔高度为h1飞机与无线电地平线距离为d1,2.1 超短波传播特性,11,无线电地平线的计算(续)在B处增加一机载或高塔天线，高度为h2两点间的视距距离为,2.1 超短波传播特性,12,无线电地平线的计算(续),2.1 超短波传播特性,不同飞行高度的地平线距离,13,VHF台站对不同飞行高度的覆盖情况,2.1 超短波传播特性,14,2.1 超短波传播特性,电磁波的反射、绕射、折射、散射和吸收平坦地表对电磁波的反射,平坦地表对VHF的反射模式,直达波的场强为：反射波的

4、场强为：收信点合成场强：,15,地表反射造成合成波相比于直达波的衰减：衰减因子波程差等于整数倍波长的时，衰减达到极大值地表反射系数 值越大，曲线起伏程度就越大,2.1 超短波传播特性,16,接收点处的功率/场强随天线高度变化而变化接收点处的功率/场强随站机间距离变化而变化,2.1 超短波传播特性,存在地表反射时，接收功率随距离和天线高度变化的情况,17,存在地表反射时，接收功率随仰角变化情况。体现为“天线方向图开裂”。这种情况对空地VHF通信影响很大，但不可避免。,2.1 超短波传播特性,18,注意：并非天线越高通信效果越好，如果天线的高度调整适当，可以避免收信点接收信号趋近零的现象。为了避免

5、因反射波和直射波抵消而导致的收信点的场强明显起伏，在进行VHF站址选择和链路设计时，应充分利用地形地物阻挡反射波。,2.1 超短波传播特性,19,电磁波的反射、绕射、折射、散射和吸收地表障碍物对VHF视距传播的影响,刃形障碍物在电磁波传播路径上的情况,惠更斯菲涅尔定理最小菲涅尔半径F0传播余隙HcHcF0时无影响！,2.1 超短波传播特性,20,当地表障碍物超过收发间连线障碍物绕射,2.1 超短波传播特性,光滑障碍物绕射,刃形边缘绕射,21,当地表障碍物超过收发间连线障碍物的阻挡损耗,2.1 超短波传播特性,阻挡损耗与相对余隙的关系曲线,22,电磁波的反射、绕射、折射、散射和吸收对流层大气对V

6、HF视距传播的影响,氧气分子和水蒸气分子对电磁波的吸收；雨、雾和雪等气象微粒对电磁波的吸收和散射；对流层结构的不均匀性对电磁波的折射；当VHF通信系统的工作频段在1GHz以下，前两个方面的影响不显著，只需考虑对流层折射的影响。,2.1 超短波传播特性,23,对流层结构的不均匀性对电磁波的折射,2.1 超短波传播特性,不同高度的大气压力、温度和湿度不同，对流层的折射率也不同,24,2.1 超短波传播特性,VHF传播的对流层折射现象,等效地球半径,25,第二章 甚高频通信系统,26,2.2 调制解调原理,什么是调制？调制是将需要发送的信息（如语音或原始的计算机数据）变换到适合所用信道（通常为如前所

7、述的含有吸收气体的自由空间）传输的形式 载波调制将原始数据或语音信号（通常称为基带信号）调制到一个载波信号上,27,为什么要调制？天线尺寸限制频分复用扩频抗干扰,2.2 调制解调原理,28,调制方法有哪些？模拟调试AMFM数字调制ASKFSKPSKQAMTCM,2.2 调制解调原理,29,载波调制通信系统设计须考虑的因素载频选择调制方式选择飞机甚高频通信系统一般采用标准调幅稳定、简单,2.2 调制解调原理,30,幅度调制（AM）标准调幅AMDSB-AM双边带调幅DSBSC-AM单边带调幅SSBSSB-AM残留边带调幅VSB,2.2 调制解调原理标准调幅,31,信号数学表达式信号波形信号频谱调制

8、原理框图解调原理框图,2.2 调制解调原理标准调幅,32,调制,2.2 调制解调原理标准调幅,33,2.2 调制解调原理标准调幅,34,解调,2.2 调制解调原理标准调幅,35,AM信号的包络线与调制信号完全相似AM信号解调可以包络检波无失真AM，要求 调制度,2.2 调制解调原理标准调幅,36,标准调幅的优点容易调制（如二极管或晶体管等非线性器件）容易解调（可用简单的二极管、电容、电阻电路进行非相干检测或者可以用相干检测器）在排故和整个过程任一阶段观察波形相当简单载波总存在，即使不发送信息时仍然存在；这意味着接收机可以很容易的进行频率校准和锁定在幅度域，不会由发送机和接收机相对运动产生的多普

9、勒频移带来信号失真或者偏移,2.2 调制解调原理标准调幅,37,标准调幅的缺点功率效率低即使性能最好的时候，仅有三分之一的发射功率用于有用信号，其它三分之二的功率用于载波，但它是没用的。上述结论是在调制指数为M=100%时得出的，理论上无法完全达到。因此，实际上情况更差，功率传输效率的典型值总是小于25%占用带宽大所需RF带宽是最大基带频率的两倍没有信号加密码很容易受到干扰（安全因素等）,2.2 调制解调原理标准调幅,38,第二章 甚高频通信系统,39,2.3 甚高频通信系统概述,功能甚高频通讯系统是一种近距离的飞机与飞机之间、飞机与地面电台之间的通讯系统。,40,2.3 甚高频通信系统概述,

10、工作频段118.000MHz136.975MHz，频道间隔为25KHz共760个频道，具体分配为：空中交通管理人员与飞机驾驶员间的通话118.000MHz121.400MHz（主要频段）123.675MHz128.800MHz132.025MHz136.975MHz空中飞行情报服务121.100MHz，121.200MHz遇难呼救121.500MHz地面管制121.600121.925MHz,41,2.3 甚高频通信系统概述,调制方式标准调幅通信方式半双工系统工作电源28V DC,42,2.3 甚高频通信系统概述,系统基本组成 控制板收发机VHF天线,43,2.3 甚高频通信系统概述,B737

11、-800,44,2.3 甚高频通信系统概述,B737-800,45,2.3 甚高频通信系统概述,B737-300,46,2.3 甚高频通信系统概述,控制板B737-800B737-300A320,47,2.3 甚高频通信系统概述,控制板功能进行频率选择和转换对相应收发机进行测试按下“COMM”测试电门可使静噪电路失效，接收机应有噪声信号输出，从而对接收机进行测试控制板输出的信号通过ARINC429数据总线送到收发机,48,2.3 甚高频通信系统概述,收发机功能对RF信号进行调制和发射，接收和解调通过收发机面板上的测试开关，可对收发机进行测试收发机面板上还有耳机和麦克风插孔，可对系统进行操作控制

12、最小发射功率25W工作电压 27.5V DC,49,2.3 甚高频通信系统概述,VHF天线VHF天线称作“刀”形天线一般长12英寸，底部宽8英寸天线属垂直极化，具有50欧阻抗值，可全向接收和发射。,50,第二章 甚高频通信系统,51,2.4 工作原理 系统框图,甚高频通信系统框图,52,2.4 工作原理 系统框图,PTT（Push To Talk）半双工工作按下（逻辑0）时处于发射状态，可以说话松开（逻辑1）时则为接收状态，收发同频频率控制信息来自控制板,53,2.4 工作原理 系统框图,收发机内部主要组成电源电路接收机发射机频率合成电路,54,2.4 工作原理 系统框图,电源VHF通讯系统电

13、源来自不同的汇流条VHF1号来自28V DC备用汇流条VHF2号来自2号电子汇流条。,55,2.4 工作原理 接收机工作原理,超外差接收机二次变频为什么用超外差？,高频端,中放和检波,音频电路,56,2.4 工作原理 接收机工作原理,高频端,高频端,中放和检波,音频电路,预选器射频衰减器射频放大器混频器,57,2.4 工作原理 接收机工作原理,高频端1.预选器由四个LC带通滤波器组成在118136.975MHz频带范围内形成平坦幅频特性对带外信号有效抑制,来自CPU的预选调谐控制信号,58,2.4 工作原理 接收机工作原理,高频端1.预选器由四个LC带通滤波器组成,幅频特性,59,2.4 工作

14、原理 接收机工作原理,高频端2.射频衰减器使射频电路有较宽动态范围信号过强时不至于饱和或烧掉,60,2.4 工作原理 接收机工作原理,高频端3.射频放大器放大射频信号甲类放大状态,送入混频器,61,2.4 工作原理 接收机工作原理,高频端4.混频器与来自频率合成器的射频混频得到中频信号（第一中频信号）,138-157MHz,9.325MHz,62,2.4 工作原理 接收机工作原理,中放和检波高精度滤波器放大器中频三级（含自动增益控制（AGC），60dB增益）低放一级（20dB增益）,送入音频电路,63,2.4 工作原理 接收机工作原理,音频电路,高频端,中放和检波,音频电路,音频压缩放大器有源

15、低通滤波器音频功率放大器静噪电路,64,2.4 工作原理 接收机工作原理,音频电路1.音频压缩放大器控制电压（音量）不剧烈变化,65,2.4 工作原理 接收机工作原理,音频电路2.有源低通滤波器300Hz2.5kHz平坦选出语音频段,66,2.4 工作原理 接收机工作原理,音频电路3.音频功率放大器放大信号有两级放大器和一个输出阻抗匹配的变压器组成提供100mW输出电平和600欧输出阻抗,67,2.4 工作原理 接收机工作原理,音频电路4.静噪电路当没有外来射频信号输入或外来输入信号的信噪比很小时，抑制噪声输出，从而减小了飞行员的听觉疲劳。,68,2.4 工作原理 接收机工作原理,静噪电路工作

16、原理AGC电压较小时，RF信号较弱，表明没有语音，静噪当6kHz，9kHz，11kHz带通滤波器输出有较强，表明有噪声，静噪面板上按下测试按钮，不静噪,69,2.4 工作原理 发射机工作原理,基本组成,音频输入电路,调制电路,末级功放,70,2.4 工作原理 发射机工作原理,音频输入电路,调制电路,末级功放,71,2.4 工作原理 发射机工作原理,音频输入电路主要由音频放大器和音频压缩放大器组成音频压缩放大器保证声音剧烈变化时，音频输出信号变化很小保持90%调制度，防止过调调制电路在可变衰减器中末级功放宽带高频功率放大器作推动级克服调频放大所需调整时间的问题输出30W调幅信号,72,2.4 工

17、作原理 发射机工作原理,PTTPush-to-talk,73,2.4 工作原理 发射机工作原理,信号成形声-电转换基带放大低通滤波（去掉大于4.8kHz成分以减少带宽）,调制中频混频中频放大带通滤波,末级上变频射频混频射频放大带通滤波,74,第二章 甚高频通信系统,75,2.5 频率合成器,甚高频通信系统对振荡信号源的要求频率准确度高频率稳定度高方便改换频率,76,2.5 频率合成器,常见振荡信号源石英晶体振荡器频率准确度和稳定度很高改换频率不便，只适合固定频率LC振荡器改换频率方便频率准确度和稳定度不够高如何兼顾？频率合成技术,77,2.5 频率合成器,什么是频率合成技术？将一个高稳定度、高

18、精度的频率经过加、减、乘、除来产生同样高稳定度、高精度的频率的技术对频率合成器的要求频谱纯度高，接近单频信号频率合成技术直接合成法间接合成法（锁相环路法）,78,2.5 频率合成器,频率合成器的性能指标频率范围频率间隔与信道数转换时间噪声相位噪声：系统内部噪声引起的振荡源信号相位随机起伏寄生干扰/杂散：不包括输出频率谐波的其它寄生频率,79,2.5 频率合成器,振荡源信号频谱,阴影面积总面积Pm-Po（dBc）X dBc/Hzfm=Pm-Po-10logfm,80,2.5 频率合成器,相位抖动压控振荡器输出边带噪声的一种类型压控振荡器输出边带噪声类型包括带内噪声:3003000Hz带外噪声:3

19、000Hz以外相位抖动:100Hz以内,81,2.5 频率合成器,锁相环路法（PLL,Phase Locked Loop）一种相位负反馈技术应用锁相解调载波提取位同步提取频率合成,82,2.5 频率合成器,锁相环路频率合成器原理鉴相器(PD)将输入信号的相位与环路输出信号的相位进行比较，并取出与这两个相位差成正比的电压；环路滤波器(LPF)是一个低通滤波器，它的作用是滤除电压中的高频成分并取出平均分量；压控振荡器(VCO)在控制电压作用下产生振荡频率。,83,2.5 频率合成器,可变分频器,标准频率产生器,可变分频器,低通滤波器,固定分频器,鉴相器,压控振荡器,f0,f,fr,3.2MHz 1

20、28,84,2.5 频率合成器,可变分频器分频比可以改变的程序分频器控制板上设定了工作频率信息，传送至微处理器，译码后送出BCD码标示的频率信息对可变分频器的分频比进行预置对VCO输出的118155.975MHz的频率信号进行分频，分频后产生一个25kHz的信号加至鉴相器在鉴相器内与25kHz的基准频率进行相位比较鉴相器的输出经低通滤波后加至压控振荡器，使压控振荡器的输出保证在精确的频率上可变分频比可选：46406239,85,小结,甚高频通信系统的特征载频选择、调制方式、通信方式、工作电源半双工如何控制甚高频通信系统基本组成收发机基本组成接收机组成及各部分功能发射机组成及各部分功能PLL频率合成器原理及组成,问题？,