高頻課件第1章

1、第1章 緒論第第1章緒論章緒論1.1 無線通信系統(tǒng)概述無線通信系統(tǒng)概述 1.2 信號、信號、 頻譜與調制頻譜與調制 1.3 本課程的特點本課程的特點思考題與習題思考題與習題第1章 緒論1.1 無線通信系統(tǒng)概述無線通信系統(tǒng)概述1.1.1 無線通信系統(tǒng)的組成無線通信系統(tǒng)的組成無線通信(或稱無線電通信)的類型很多，可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng)，其設備組成和復雜度雖然有較大差異，但它們的基本組成不變，圖1-1是典型的無線通信系統(tǒng)基本組成方框圖。第1章 緒論 圖1-1 無線通信系統(tǒng)的基本組成第1章 緒論圖中虛線以上部分為發(fā)送設備(發(fā)信機)，虛線以下部分為接收設備(收信機)，

2、天線及天線開關為收發(fā)共用設備。信道為自由空間。話筒和揚聲器屬于通信的終端設備，分別為信源和信宿。上下兩個音頻放大器分別是為放大話筒輸出信號和推動揚聲器工作而設置的，屬低頻部件，本書不討論。上面的音頻放大器輸出的信號控制高頻載波振蕩器的某個(些)參數(shù)，從而實現(xiàn)調制；下面的解調器就是針對上面發(fā)射端的調制而進行的檢波(調制的逆過程)。已調制信號的頻率若不夠高，可根據(jù)需要進行倍頻或上混(變)頻；若幅度不夠，可根據(jù)需要進行若干級(通常有預放、激勵和輸出三級)放大，經(jīng)天線輻射出去。接收機一般都采用超外差的形式，在通過高頻選頻放大(初步的選擇放大并抑制其它無用信號)后進行下混(變)頻，取出中頻后再進行中頻放

3、大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強的濾波能力)和其它處理，然后進行解調。超外差接收機的主要特點就是由頻率固定的中頻放大器來完成對接收信號的選擇和放大。 當信號頻率改變時，只要相應地改變本地振蕩信號頻率即可。第1章 緒論發(fā)送設備主要完成調制、上變頻、功率放大和濾波等功能，其結構大同小異。根據(jù)調制和上變頻是否合二為一，發(fā)送設備結構分為直接變換結構和兩次變換結構兩種方式，在每種方式中也都可以采用單通道調制和雙通道正交調制方式。在發(fā)送設備中，一般存在兩種變換：第一種變換是將信源產(chǎn)生的原始信息變換成電信號，而這一信號的頻譜通?？拷泐l附近，屬于低頻信號，稱為基帶(Baseband)信號； 第二種變

4、換稱為調制(Modulating)，是將基帶信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘栃问?一般為射頻或高頻的帶通信號)。調制后的信號稱為已調信號(Modulated Signal)，相應的沒有進行調制之前的基帶信號也可稱為調制信號(Modulating Signal)。調制時還需要一個高頻振蕩信號，稱為載波(Carrier)，它可由高頻振蕩器(Oscillator)或頻率合成器(Frequency Synthesizer)產(chǎn)生。載波通常為單一頻率的正弦信號或脈沖信號。第1章 緒論接收設備的任務主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(同時要盡可能保證信息的質量)，并恢復有用信息。接收設備的結構通常采用超外差

5、(Super Heterodyne)形式，圖1-1中的接收機即為一次變頻超外差結構。隨著設備小型化和系統(tǒng)化，接收設備的結構出現(xiàn)了許多新的形式，如圖1-2和圖1-3分別為鏡頻抑制式和直接變換式(Direct Conversion)或零中頻(Zero IF)式接收機結構。不同的接收設備結構有不同的特點。在接收設備中有相應的兩種反變換。將接收到的已調信號變換(恢復)為基帶信號的過程稱為解調(Demodulating)，把實現(xiàn)解調的部件稱為解調器(Demodulator)。解調時一般也需要一個本地的高頻振蕩信號，稱為恢復載波(或插入載波)。有時將收發(fā)設備中的調制器和解調器合稱為調制解調器(Modem)

6、。第1章 緒論圖 1-2 鏡像抑制接收機結構(a) Hartley結構；(b) Weaver結構第1章 緒論圖 1-3 零中頻接收機結構第1章 緒論由上面的例子可以總結出無線通信系統(tǒng)的基本組成，從中也可看出高頻電路的基本內容應該包括: (1) 高頻振蕩器(信號源、載波信號或本地振蕩信號)；(2) 放大器(高頻小信號放大器及高頻功率放大器)；(3) 混頻或變頻(高頻信號變換或處理)；(4) 調制與解調(高頻信號變換或處理)。第1章 緒論在無線通信系統(tǒng)中通常需要某些反饋控制電路，這些反饋控制電路主要是自動增益控制(AGC)或自動電平控制(ALC)電路，自動頻率控制(AFC)電路和自動相位控制(AP

7、C)電路(也稱鎖相環(huán)PLL)。此外，還要考慮高頻電路中所用的元件、器件和組件，以及信道或接收機中的干擾與噪聲問題。需要說明的是，雖然許多通信設備可以用集成電路(IC)來實現(xiàn)，但是上述的單元電路通常都是由有源的和無源的元器件構成的，既有線性電路，也有非線性電路。這些基本單元電路的組成、原理及有關技術問題，就是本書的研究對象。應當指出，實際的通信設備比上面所舉例子要復雜得多。比如發(fā)射機的振蕩器和接收機的本地振蕩器就可以用更復雜的組件頻率合成器(FS)來代替，它可以產(chǎn)生大量所需頻率的信號。第1章 緒論1.1.2 無線通信系統(tǒng)的類型無線通信系統(tǒng)的類型無線通信系統(tǒng)的類型，可以根據(jù)不同的方法來劃分。按照無

8、線通信系統(tǒng)中關鍵部分的不同特性，有以下一些類型: (1) 按照工作頻段或傳輸手段分類，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。射頻實際上就是“高頻”的廣義語，它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。第1章 緒論(2) 按照通信方式來分類，主要有(全)雙工、半雙工和單工方式。所謂單工通信，指的是只能發(fā)或只能收的方式；半雙工通信是一種既可以發(fā)也可以收但不能同時收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時收發(fā)的通信方式。圖1-1的例子是半雙工方式，將天線開關換成雙工器就成了雙工方式。(3) 按照調制方式

9、的不同來劃分，有調幅、調頻、調相以及混合調制等。(4) 按照傳送的消息的類型分類，有模擬通信和數(shù)字通信，也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。各種不同類型的通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成和設備的復雜程度都有很大不同。但是組成設備的基本電路及其原理都是相同的，遵從同樣的規(guī)律。本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路，認識其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應用到其它類型的通信系統(tǒng)。第1章 緒論在高頻電路中，我們要處理的無線電信號主要有三種: 基帶(消息)信號、高頻載波信號和已調信號。這些無線電信號有多方面的特性，主要有時間(域)特性、頻率特性、頻譜特性、調制特性、傳播特性等。1. 時間特性時

10、間特性一個無線電信號，可以將它表示為電壓或電流的時間函數(shù)，通常用時域波形或數(shù)學表達式來描述。對于較簡單的信號(如正弦波、周期性方波等)，用這種方法表示很方便。無線電信號的時間特性就是信號隨時間變化快慢的特性。信號的時間特性要求傳輸該信號的電路的時間特性(如時間常數(shù))與之相適應。1.2 信號、頻譜與調制信號、頻譜與調制第1章 緒論2. 頻譜特性頻譜特性對于較復雜的信號(如話音信號、圖像信號等)，用頻譜分析法表示較為方便。這是因為任何形式的信號都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號之和，如圖1-4所示。圖中實線為一重復頻率為F的方波脈沖信號，點劃線為該脈沖信號的直流分量，短虛線為其基波分量，

11、長虛線為其直流分量、基波分量和三次諧波分量之和。諧波次數(shù)越高，幅度越小，影響就越小。第1章 緒論圖 1-4 信號分解 第1章 緒論對于周期性信號，可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成諧頻關系)，例如圖1-5即為圖1-4所示信號的頻譜圖；對于非周期性信號，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜，信號為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分，它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位的分布情況。第1章 緒論圖 1-5 頻譜圖第1章 緒論任何信號都會占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶寬就是信號能量主要部分(一般為90%以上)所占據(jù)的頻率范圍或頻帶寬度。不同的信號，其帶寬不同，比如，話音的

12、頻率范圍大致為100 Hz6 kHz，其主要能量集中在300 Hz3.4 kHz。射頻頻率越高，可利用的頻帶寬度就越寬，不僅可以容納許多互不干擾的信道，從而實現(xiàn)頻分復用或頻分多址，而且也可以傳播某些寬頻帶的消息信號(如圖像信號)，這是無線通信采用高頻的原因之一。第1章 緒論3. 頻率特性頻率特性任何信號都具有一定的頻率或波長。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。電磁波輻射的波譜很寬，如圖 1-6 所示。第1章 緒論 圖 1-6 電磁波波譜第1章 緒論無線電波只是一種波長比較長的電磁波，占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長與頻率存在以下關系: c=f (1-1)式中:c為光速，f

13、和分別為無線電波的頻率和波長，因此，無線電波也可以認為是一種頻率相對較低的電磁波。對頻率或波長進行分段，分別稱為頻段或波段。不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不同，因而它們的分析方法和應用范圍也不同。表 1-1 列出了無線電波的頻(波)段劃分、主要傳播方式和用途等。表中關于傳播方式和用途的劃分是相對而言的，相鄰頻段間無絕對的分界線。第1章 緒論第1章 緒論應當指出，不同頻段的信號具有不同的分析與實現(xiàn)方法，對于米波以上(含米波，1 m)的信號通常用集總(中)參數(shù)的方法來分析與實現(xiàn)，而對于米波以下(1 m)的信號一般應用分布參數(shù)的方法來分析與實現(xiàn)，當然，這也是相對的。另外

14、，從表中可以看出，頻段劃分中有一個“高頻”段，其頻率范圍為330 MHz，這是“高頻”的狹義解釋，它指的就是短波頻段。本課程涉及的波段可從中波到微波波段。第1章 緒論4. 傳播特性傳播特性無線通信的傳輸媒質主要是自由空間。頻率或波長不同，電磁波在自由空間的傳播方式也不同。傳播特性指的是無線電信號的傳播方式、傳播距離、傳播特點等。無線電信號的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來區(qū)分。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后，不僅電波的能量會擴散，接收機只能收到其中極小的一部分，而且在傳播過程中，電波的能量會被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射，或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象，從而造成到達接收機時的強度大

15、大衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象，電波的傳播方式主要有直射(視距)傳播、繞射(地波)傳播、折射和反射(天波)傳播及散射傳播等，如圖 1-7 所示。決定傳播方式和傳播特點的關鍵因素是無線電信號的頻率。第1章 緒論圖1- 7 無線電波的主要傳播方式(a) 直射傳播；(b) 地面繞射傳播；(c) 電離層反射傳播；(d) 對流層散射傳播第1章 緒論一般來講，無線電信號的輻射是多方向的。由于地球是一個巨大的導體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時能量會被吸收(趨膚效應引起)，通常是波長越長(或頻率越低)，被吸收的能量越少，損耗就越小，因此，中、低頻(或中、長波)信號可以以地波的方式繞射傳播很遠，并且比較

16、穩(wěn)定，多用作遠距離通信與導航。實際上，繞射依賴于電波的波長、物體的體積與形狀、繞射點入射波的振幅、相位和極化情況等，當電波的波長大于物體的體積時容易發(fā)生繞射。第1章 緒論短波波段的無線電波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠距離傳播主要靠電離層。地球外部包裹著厚厚的大氣層，在大氣層中離地面60600 km的區(qū)域稱為電離層，它是由于太陽和星際空間的輻射引起大氣電離而產(chǎn)生的。電離層從里往外可以分為D、E、F1、F2四層，D層和F1層在夜晚幾乎完全消失，因此經(jīng)常存在的是E層和F2層。電離層對通過的電波也有吸收作用，頻率越高的信號，電離層吸收能力越弱，或者說電波的穿透能力越強。因此，頻率太高的信號會穿過電離層而達

17、到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質，對射向它的無線電波會產(chǎn)生反射與折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情況下，對于短波信號，F(xiàn)2層是反射層，D、E層是吸收層(因為它們的電子密度小，不滿足反射條件)。F2層的高度約250300 km，第1章 緒論所以，一次反射的最大跳距約4000 km。應當指出，由于電離層的狀態(tài)隨著時間(年、季、月、天、小時甚至更小單位)而變化，因此，利用電離層進行的短波通信并不穩(wěn)定。但由于電離層離地面較高，因此，短波通信還是一種價格低廉的遠距離通信方式。需要指出，電波的反射傳播不只是存在于電離層中。由于電波在不同性質的介質的交界處都會發(fā)生反射，因

18、此，當電波遇到比波長大得多的物體時將產(chǎn)生反射，也就是說，反射發(fā)生于地球表面、建筑物表面等許多地方。第1章 緒論在離地面大約1012 km范圍內的大氣層稱為對流層，該層的空氣密度較高，所有的大氣現(xiàn)象(如風、雨、雷、電等)都發(fā)生在這一層。散射現(xiàn)象也主要發(fā)生在對流層。在這個層中由于大氣湍流運動等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強的方向性和隨機性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關。散射信號隨時間的變化分為慢衰落和快衰落兩種，前者決定于氣象條件，后者由多徑傳播引起。散射傳播還有一定的散射損耗。散射傳播距離約為100500 km，適合的頻率在4006 000 MHz之間。需要指出，散射

19、是在電波通過的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數(shù)非常大時產(chǎn)生的，因此，散射發(fā)生于粗糙表面、小物體或不規(guī)則物體等許多地方。第1章 緒論頻率較高的超短波及其更高頻率的無線電波，主要沿空間直線傳播。由于地球曲率的原因,直射傳播的距離有限，通常只能為視距，因此也稱為視距傳播。當然，直線傳播方式可以通過架高天線、中繼或衛(wèi)星等方式來擴大傳輸距離。總之，長波信號以地波繞射為主；中波和短波信號可以以地波和天波兩種方式傳播，不過，前者以地波傳播為主，后者以天波(反射與折射)為主；超短波以上頻段的信號大多以直射方式傳播，也可以采用對流層散射的方式傳播。第1章 緒論5. 調制特性調制特性調制在無線通

20、信中的作用至關重要。無線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個原因就是高頻適于天線輻射和無線傳播。只有當天線的尺寸大到可以與信號波長相比擬時，天線的輻射效率才會較高，從而以較小的信號功率傳播較遠的距離，接收天線也才能有效地接收信號。若把低頻的調制信號直接饋送至天線上，要想將它有效地變換成電磁波輻射，則所需天線的長度幾乎無法實現(xiàn)。如果通過調制，把調制信號的頻譜搬至高頻載波頻率，則收發(fā)天線的尺寸就可大為縮小。此外，調制還有一個重要作用就是可以實現(xiàn)信道的復用，提高信道利用率。所謂調制，就是用調制信號去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號的某一個或幾個參數(shù)(振幅、頻率或相位)按照調制信號的規(guī)律變化。第1章

21、緒論根據(jù)載波受調制參數(shù)的不同，調制分為三種基本方式，它們是振幅調制(調幅)、頻率調制(調頻)、相位調制(調相)，分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調制方式。當調制信號為數(shù)字信號調制時，通常稱為鍵控，三種基本的鍵控方式為振幅鍵控(ASK)、頻率鍵控(FSK)和相位鍵控(PSK)。一般情況下，高頻載波為單一頻率的正弦波，對應的調制為正弦調制。若載波為一脈沖信號，則稱這種調制為脈沖調制。本課程中主要討論模擬消息(調制)信號和正弦載波的模擬調制，但這些原理甚至電路完全可以推廣到數(shù)字調制中去。不同的調制信號和不同的調制方式，其調制特性不同。調制的逆過程稱為解調或檢波，其作用是將已調信號中的原調制信

22、號恢復出來。第1章 緒論1.3 本課程的特點本課程的特點高頻電子線路廣泛應用于通信與電子系統(tǒng)中，高頻電子線路的技術指標和設計要求也通常具有系統(tǒng)性。應用于電子系統(tǒng)和電子設備中的高頻電子線路幾乎都是由線性的元件和非線性的器件組成的。嚴格來講，所有包含非線性器件的電子線路都是非線性電路，只是在不同的使用條件下, 非線性器件所表現(xiàn)的非線性程度不同而已。比如對于高頻小信號放大器，由于輸入的信號足夠小，而又要求不失真放大，因此，其中的非線性器件可以用線性等效電路來表示，分析方法也可以用線性電路的分析方法。但是，本書的絕大部分電路都屬于非線性電路，一般都用非線性電路的分析方法來分析。第1章 緒論與線性器件不同，對非線性器件的描述通常用多個參數(shù)，如直流跨導、時變跨導和平均跨導，而且大都與控制變量有關。在分析非線性器件對輸入信號的響應時，不能采用線性電路中行之有效的疊加原理，而必須求解非線性方程(包括代數(shù)方程和微分方程)。在實際中，要想精確求解十分困難，一般都采用計算機輔助設計(CAD)的方法進行近似分析。在工程上也往往根據(jù)實際情況對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件