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1、1第第6 6章章 基于无线通信的测控技术基于无线通信的测控技术 主要内容 p 无线通信技术基本原理 p 模拟信号的调制 p 数字信号的调制 p 信号的解调 p 无线电波的发射与接收 p 无线通信系统 p 典型应用 6.1 无线通信技术基本原理无线通信技术基本原理 单工通信系统的原理单工通信系统:通信只有一个方向，及从发射器到接收器，广播系统即属于此例6.1 无线通信技术基本原理无线通信技术基本原理 全双工通信:普通的电话即是全双工通信的例子。这个系统的构成需要两个发射器、两个接收器以及通常情况下的两个信道全双工通信系统6.1 无线通信技术基本原理无线通信技术基本原理 半双工通信:民用波段（CB
2、）无线电台进行交谈即是半双工通信的例子。半双工系统使用同一信通进行双向通信，节省了带宽。不过，它牺牲了全双工通信所体现出的一些自然性。半双工通信系统6.1 无线通信技术基本原理无线通信技术基本原理 当有多个用户同时使用时，或者当两个用户相距遥远，彼此不能直接通信时，就需要其他形式的网络星型网络蜂窝电话和个人通信系统（Personal Communication System，PCS）都有精心布置的中继站网络6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制调制对一个适宜在信道传播的射频载波，用所要发送的信号按一定规律去控制载波的某个参数，从而把要发送的信号寄托在所选定的参数上，然后发送已调制载波，达到传送消
3、息的目的。6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制调制的作用1.已调波具有频率高、相对带宽窄和各路信号不重叠的特点，易于电磁波发射及多路频分复用，减少噪声和干扰的影响。2.在接收端易于分离和恢复信号。3.利用调制可以把信号变换到易于满足现有器件对信号设计要求的频率上，克服了元器件的限制。6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制调制器的模型其中 为调制信号或基带信号，为载波，为已调波信号。6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制调制方式分类1.按调制信号的不同：模拟调制和数字调制。为连续变化的模拟量时为模拟调 制；为离散的数字量时为数字调制2.按载波的不同：连续载波调制和脉冲载波调制。连续正弦波时为连续载
4、波调制；为离散脉冲时为脉冲载波调制6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制3.按调制信号改变载波参数的不同幅度调制：改变的振幅参数，如普通调幅AM、单边带调 幅SSB、脉冲振幅调制PAM、振幅键控ASK等频率调制：即改变的频率参数，如调频FM、脉冲频率调 制PFM、移频键控FSK等相位调制：即改变的相位参数，如调相PM、脉冲相位调 制PPM、移相键控PSK等调制中广泛用到的运算是模拟乘法运算。它可以看作一种频率的搬移，其电路也称为频率变换器或变频器（Frequency Converter，FC）。6.2 模拟信号的调制模拟信号的调制频率变换器6.2.1 幅值调制幅值调制幅度调制（Amplitude
5、 Modulation）按已调波信号频谱结构的不同，可分为：1.普通调幅AM2.抑制载波的双边带调制DSB（Double Sideband）3.抑制载波的单边带调制SSB（Single Sideband）1.AM调幅调幅6.2.1 幅值调制幅值调制 时域表达式为AM调制系统框图6.2.1 幅值调制幅值调制 2.双边带调制频率表达式如果输入的基带信号没有直流分量，输出信号就是无载波分量的双边带调制信号，或称为双边带抑制载波（Double Sideband-Suppressed Carrier，DSBSC）调制信号6.2.1 幅值调制幅值调制DBS信号的波形及频谱双边带调制抑制了载波，提高了调制效
6、率，但已调信号的带宽仍与调幅信号一样，是基带信号带宽的两倍。6.2.1 幅值调制幅值调制 3.单边带调制只产生一个边带的调制方式称为单边带（Single Sideband，SSB）调制。SSB可以在DSB基础上利用边带滤波器实现，利用低通滤波器（LPF）可取用下边带（SSB-LSB），利用高通滤波器（HPF）可取用上边带（SSB-USB）6.2.1 幅值调制幅值调制理想低通滤波器传递函数下边带信号频谱是该LPF传递函数与DSB频谱的乘积6.2.1 幅值调制幅值调制对式（1）进行傅立叶反变换将式（2）写成数学卷积表达式，并根据三角函数关系6.2.1 幅值调制幅值调制式（3）中，是 的希尔伯特变换
7、。可得6.2.1 幅值调制幅值调制上边带SSB信号的时域表达式为SSB可用如图所示的平衡调幅器完成6.2.1 幅值调制幅值调制6.2.2 频率调制频率调制用调制信号去改变载波的频率参数或相位参数，使之随调制信号的变化规律而变化，这一过程称为频率调制FM（Frequency Modulation）或相位调制PM（Phase Modulation）。由于频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化，故又把频率调制和相位调制统称为角度调制（Angle Modulation）。6.2.2 频率调制频率调制频率调制的特点已调波频谱与基带信号频谱之间不再保持线性对应关系，称为非线性调制，具有较好的抗噪声能力
8、，FM信号带宽越宽，抗噪声性能越好。角度调制的一般表示式为式中：信号的瞬时相位；瞬时相位偏移6.2.2 频率调制频率调制FM调制时，载波的幅度和角频率保持不变，调制信号改变载波的瞬时角频率，且载波的瞬时角频率偏移与 成正比，即载波瞬时相位为：6.2.2 频率调制频率调制已调频波在不考虑初始相位时的表示式为FM波最大角频率偏移为FM波的调频指数为 6.2.2 频率调制频率调制PM调制时，同样载波振幅不变，调制信号改变载波的相位，且载波的瞬时相位偏移与 成正比 称为调相灵敏度，PM调制信号为 6.3 数字信号的调制数字信号的调制数字信号调制可以采用键控法，具有性能稳定可靠、调整测试方便及体积小等优
9、点。二进制振幅键控BASK（Amplitude-Shift Keying）移频键控BFSK（Frequency-Shift Keying）移相键控BPSK（Phase-Shift Keying）差分移相键控DPSK（Differential PSK）6.3 数字信号的调制数字信号的调制二进制数字调制电路的原理框图及波形6.3 数字信号的调制数字信号的调制设数字信号的数字序列为 ，则数字基带信号可以表示为式中：随机变量，代表数字信号1或0；基带信号码元波形，常见的有矩形脉冲、升 余弦脉冲、钟形脉冲等；二进制编码码元宽度。1.振幅键控6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制二进制振幅键控（BASK
10、）是振幅调制的特殊形式，它通过数字信号1、0控制载波传输信息的有无。其时域表达式为BASK调制可由DSB调制电路实现，或采用键控方法实现。BASK信号的带宽是基带信号的两倍。2.移频键控6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制二进制移频键控（BFSK）采用两个不同的频率来表示数字信号0、1码（1通常称为传号，0通常称为空号）；根据频率变换时相位是否连续，分为相位连续FSK（CPFSK）和相位不连续FSK（DPFSK）。6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制BFSK信号可以表示为其中 为 的反码6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制BFSK信号的带宽可用下式进行估计式中：偏频 FSK调频指数
11、6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制最小频移键控MSK调制为了尽可能减少已调波的带宽，需采用包络恒定和相位连续的窄带数字调制技术MSK可以看作是调制指数为0.5的CPFSK。在MSK中，频移刚好等于码元速率的四分之一，即在一个码元时间内，频率和的波形刚好相差1/2周，所以在任何码元转换时刻上相位总是连续的。6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制3.移相键控 PSK调制是一种利用数字基带信号控制载波的相位，使固定振幅的载波相位随数字基带信号的变化而跳变的数字调制方式。在抗干扰能力上优于ASK和FSK，并且带宽利用率较高。PSK信号可以表示为其中，取值为16.3.1 二进制数字调制二进制数字
12、调制PSK信号等价于抑制载波的双边带调幅波形，可以由DSB调制电路实现，不过在PSK调制时数据信号取值为+1、-1，这种数据信号被称为双极性非归零信号。PSK信号的带宽与ASK信号带宽相同，是基带信号带宽的两倍。6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制绝对移相键控直接利用载波的相位偏移来表示数字信号，已调波与载波同相表示数字信号0，已调波与载波反相表示数字信号1。DPSK利用载波的相对相位偏移来表示数字信号。相对相位不变代表数字信号0，相对相位反相代表数字信号1。绝对移相键控PSK和差分移相键控DPSK6.3.1 二进制数字调制二进制数字调制进行DPSK时，首先要将数据信号由绝对码转换为相对码
13、，相对码又称为差分码。绝对码与相对码的相互转换通过异或门和延迟器组成的电路实现。（a）差分编码器 （b）差分译码器6.3.2 多进制数字调制多进制数字调制*信号状态大于2的数字信号称为多进制数字信号振幅调制相位调制正交调幅MQAM与MPSK比较6.4 信号的解调信号的解调解调也叫“检波”，是调制的逆过程，其目的是从已调信号中恢复出原始的基带信号。振幅解调频率解调6.4.1 振幅解调振幅解调1.包络检波器解调 （a）电路原理图 （b）各点波形二极管峰值包络检波器6.4.1 振幅解调振幅解调2.同步解调 AM同步解调电路组成模型 乘法器输出为6.4.1 振幅解调振幅解调DSB、SSB信号同步解调电
14、路模型 目前无线通信中常采用高稳定度的晶振和频率合成器作为振荡源，并使用节省带宽和功率利用率高的SSB方式进行通信6.4.2 频率解调频率解调实现FM信号解调功能的电路称为鉴频器，包括微分鉴频器、延迟鉴频器、脉冲计数式鉴频器和锁相环鉴频器等。锁相环鉴频器具有优良的鉴频性能，并且调整简单，价格低廉。鉴相器进行相位比较，通过压控振荡器VCO的瞬时相位输出跟踪FM信号瞬时相位变化来实现鉴频。6.4.1 振幅解调振幅解调锁相环鉴频器输入FM信号为VCO的瞬时角频率：VCO的输出为：6.4.1 振幅解调振幅解调6.4.1 振幅解调振幅解调低通滤波器的输出为 当 较小时有对上式微分得：6.4.2 频率解调
15、频率解调由于基带信号与环路的捕捉时间相比是一个变化很缓慢的信号，所以可保证VCO的频率始终能跟踪上输入FM信号的频率。相位误差为一个静态相差，可以认为变化率为零，即 ，所以：6.5 无线电波的发射与接收无线电波的发射与接收无线通信系统中，发射设备承担着消息的发送任务，具有将消息转变为无线电发射信号并向外辐射的功能。信号经空间无线信道传送到接收端后，由接收设备从混有噪声、干扰的有噪信号中提取出携带消息的有用信号并将其还原为消息。6.5.1 无线电波的发射无线电波的发射发射设备主要包括发送终端、发射机（Transmitter）和发射天线（Antenna）三部分。发送终端将待发送的消息变换为电信号后
16、，发射机对该信号进行放大、变换，使其功率足够大、频率适合信道传输，即成为射频（Radio Frequency）已调波信号，再由发射天线将射频已调波信号变换为电磁波向外辐射。1.发射机的基本工作原理6.5.1 无线电波的发射无线电波的发射发射机主要由低频电路、振荡源、射频功率放大器及调制器等组成。按调制器在发射机中所处位置的不同，可以将发射机分为高电平调制和低电平调制两大类。高电平调制是指在发射机中高电平级也就是功放末级进行的调制。6.5.1 无线电波的发射无线电波的发射特点：可以采用高效率的C类和D类谐振功率放大器，且调制器对振荡源的影响小6.5.1 无线电波的发射无线电波的发射低电平调制是指
17、在发射机中低电平级也就是功率放大之前进行的调制 特点：调制的实现比较方便，可以保证调制的良好线性。功率放大器的工作效率较低，且调制器容易对振荡源产生影响。2.发射机的主要性能指标 6.5.1 无线电波的发射无线电波的发射工作频率或工作频段输出功率效率频率准确度和频率稳定性杂散辐射6.5.2 无线电波的接收无线电波的接收接收是发射的逆过程。接收设备主要由接收天线、接收机和接收终端三部分组成。接收天线将空间传播的电磁波变换为电信号，接收机对该信号进行滤波、放大、变换，将其还原为与发射端相一致的基带信号，由接收终端恢复成消息。1.接收机的基本工作原理6.5.2 无线电波的接收无线电波的接收接收机的基
18、本功能是选择、放大和变换信号，由预选器、高频放大器、解调器及低频放大器组成 直检式接收机或高放式接收机 6.5.2 无线电波的接收无线电波的接收超外差式接收机可以较好的解决直检式接收机存在的问题，使接收机的选择性和放大量大大提高。6.5.2 无线电波的接收无线电波的接收2.接收机的主要性能指标 工作频率或工作频段灵敏度选择性频率准确度和频率稳定性失真度6.5.3 多路复用与多址多路复用与多址多路复用技术允许在一个传输信道或介质上传送多个信号。当有待进行多路复用的信号产生于不同的地点时，则把这样的系统称为多址。这两种技术都用于无线通信中，可以使多个用户共享有限无线频谱资源，提高系统容量。多路复用
19、技术泛指多路信号的合并与分离技术，其内涵有：用户是空间动态分布的，建立的信道有很大的差异 性和时变性；用户有着广泛的移动性和保密性，使寻呼和识别颇 为复杂和困难；多用户使用同一个空间，产生相互干扰，必须设法 加以消除。6.5.3 多路复用与多址多路复用与多址多址接入技术是利用信号的正交特性，即信号某个参量的正交性来区分无线电信号的目的地址。信号可以表示为时间、频率、码型和空间的函数。6.5.3 多路复用与多址多路复用与多址1.频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）2.时分多址（Time Division Multiple Access，TDM
20、A）3.码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）4.空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）6.5.3 多路复用与多址多路复用与多址1.频分复用与多址每个信号都在全部时间上被分配到频率谱的不同部分。2.时分复用与多址每个信息信号都允许使用全部可用带宽，但是仅限于部分时间段内。3.码分多址（CDMA）每个用户分配唯一的一个地址码，共享频率和时间资源。无线通信系统主要技术平台 6.6 无线通信系统无线通信系统无线通信发展阶段系统普通业务第1代（1G）AMPS、TACS、NMT语音第2代（2G）GSM、TDMA、CDM
21、A语音业务和短消息业务过渡代（2.5G）CDMA、GPRS、EDGE语音业务和新引入的分组数据业务第3代（3G）CDMA2000/WCDMA TD-SCDMA为高速多媒体数据和语音设计的分组数据业务和语音业务6.6.1 GSM无线通信系统无线通信系统全球数字移动电话系统（GSM）是欧洲电信标准学会（ETSI）为第二代移动通信制定的可国际漫游的泛欧数字蜂窝系统标准。1.GSM业务用户终端业务（teleservices）承载业务（bearer services）补充业务（supplementary services）2.GSM参考体系结构GSM无线网络系统分为移动台（MS）、基站子系统（BSS）、
22、网络和交换子系统（NSS）6.6.1 GSM无线通信系统无线通信系统3.支持移动环境的机制6.6.1 GSM无线通信系统无线通信系统位置登记呼叫建立越区切换安全性6.6.2 CDMA无线通信系统无线通信系统码分多址（CDMA）又称为IS-95，是一种接入方法和空中接口的标准，是基于直接序列扩频（Direct Sequence，DS）的一种宽带扩频技术。它允许多个用户在相同的时间内使用相同的无线电信道或频段，每个用户都用他们独有的码序列，从而与其他用户区别开来。CDMA系统的体系结构6.6.3 GPRS无线通信系统无线通信系统GPRS（General Packet Radio Services，
23、通用分组无线业务）是对GSM的升级，它使用与GSM完全相同的物理无线信道，在GSM的物理层和网络实体上定义了新的逻辑GPRS无线信道，对独立短分组提供快速接入网络从而与外部的分组数据网络建立连接。GPRS的参考体系结构 6.6.3 GPRS无线通信系统无线通信系统6.6.4 其他无线通信系统其他无线通信系统第三代无线通信系统（3G）短距离无线通信系统无线局域网（WLAN）蓝牙无线通信 移动自组织网络超宽带（UWB）无线通信 6.6.5 无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代
24、网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。无线传感器网络的系统结构 6.7 典型应用典型应用随着无线通信技术的成熟，越来越多的测控系统选择了无线方式进行数据通信。以建筑塔吊防碰撞系统和抽油机节能测控系统为例，介绍无线通信技术在测控系统中的具体应用。6.7.1 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统1.系统功能塔吊防碰预警进入禁行区预警力矩保护故障自诊断2.系统组成6.7.1 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统本塔吊防碰系统主要由以下部分组成：数据输入数据交换数据处理控制输出数据存储实时显示人机交互部分 6.7.1
25、 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统3.硬件结构6.7.1 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统4.无线通信网络无线通信组网建立高速数据链路采用合理的纠错机制6.7.1 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统5.系统通信任务 系统中包含多个现场测控站点和一个地面监控站点，其 通信内容包括3类数据：塔吊的静态参数信息（Info），如塔吊坐标、塔臂高 度、前桥长度等；现场测控站点实时测量的塔吊工作状态信息 （Status），如回转角度、小车位移、吊钩高度等；现场测控站点的工作状态信息（Output），如继电器 的开合状态、指示灯的明暗状态等；6.7.1 建筑塔吊防碰撞系统建筑塔吊防碰撞系统6.防碰撞系统实物图及运行界面 1.研究背景 游梁式抽油机是应用最为广泛的抽油设备，其结构简 单、制造容易，在机械采油中占有重要地位。目前游 梁式抽油系统仍然存在以下问题：系统工作效率低。油井监控管理不便、故障诊断困难。6.7.2 抽油机节能测控系统抽油机节能测控系统6.7.2 抽油机节能测控系统抽油机节能测控系统2.系统结构6.7.2 抽油机节能测控系统抽油机节能测控系统3.监控管理系统结构6.7.2 抽油机节能测控系统抽油机节能测控系统4.上位机自动巡检5.电台通讯流程6.SMS应用6.7.2 抽油机节能测控系统抽油机节能测控系统抽油机和控制器连接实物图 END