射頻電路第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(hào)、信號(hào)、 頻譜與調(diào)制頻譜與調(diào)制 1.3 本課程的特點(diǎn)本課程的特點(diǎn)思考題與習(xí)題思考題與習(xí)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(shè)備組成和復(fù)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(shè)備(發(fā)信機(jī))，虛線以下部分為接收設(shè)備(收信機(jī))，

2、天線及天線開關(guān)為收發(fā)共用設(shè)備。信道為自由空間。話筒和揚(yáng)聲器屬于通信的終端設(shè)備，分別為信源和信宿。上下兩個(gè)音頻放大器分別是為放大話筒輸出信號(hào)和推動(dòng)揚(yáng)聲器工作而設(shè)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(hào)控制高頻載波振蕩器的某個(gè)(些)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制；下面的解調(diào)器就是針對(duì)上面發(fā)射端的調(diào)制而進(jìn)行的檢波(調(diào)制的逆過程)。已調(diào)制信號(hào)的頻率若不夠高，可根據(jù)需要進(jìn)行倍頻或上混(變)頻；若幅度不夠，可根據(jù)需要進(jìn)行若干級(jí)(通常有預(yù)放、激勵(lì)和輸出三級(jí))放大，經(jīng)天線輻射出去。接收機(jī)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(hào))后進(jìn)行下混(變)頻，取出中頻后再進(jìn)行中頻放

3、大(主選擇放大，具有較大的放大增益和較強(qiáng)的濾波能力)和其它處理，然后進(jìn)行解調(diào)。超外差接收機(jī)的主要特點(diǎn)就是由頻率固定的中頻放大器來完成對(duì)接收信號(hào)的選擇和放大。 當(dāng)信號(hào)頻率改變時(shí)，只要相應(yīng)地改變本地振蕩信號(hào)頻率即可。第1章 緒論發(fā)送設(shè)備主要完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波等功能，其結(jié)構(gòu)大同小異。根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一，發(fā)送設(shè)備結(jié)構(gòu)分為直接變換結(jié)構(gòu)和兩次變換結(jié)構(gòu)兩種方式，在每種方式中也都可以采用單通道調(diào)制和雙通道正交調(diào)制方式。在發(fā)送設(shè)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(hào)，而這一信號(hào)的頻譜通常靠近零頻附近，屬于低頻信號(hào)，稱為基帶(Baseband)信號(hào)； 第二種變

4、換稱為調(diào)制(Modulating)，是將基帶信號(hào)變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)形式(一般為射頻或高頻的帶通信號(hào))。調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)(Modulated Signal)，相應(yīng)的沒有進(jìn)行調(diào)制之前的基帶信號(hào)也可稱為調(diào)制信號(hào)(Modulating Signal)。調(diào)制時(shí)還需要一個(gè)高頻振蕩信號(hào)，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(hào)或脈沖信號(hào)。第1章 緒論接收設(shè)備的任務(wù)主要是有選擇地放大空中微弱電磁信號(hào)(同時(shí)要盡可能保證信息的質(zhì)量)，并恢復(fù)有用信息。接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)通常采用超外差

5、(Super Heterodyne)形式，圖1-1中的接收機(jī)即為一次變頻超外差結(jié)構(gòu)。隨著設(shè)備小型化和系統(tǒng)化，接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(jī)結(jié)構(gòu)。不同的接收設(shè)備結(jié)構(gòu)有不同的特點(diǎn)。在接收設(shè)備中有相應(yīng)的兩種反變換。將接收到的已調(diào)信號(hào)變換(恢復(fù))為基帶信號(hào)的過程稱為解調(diào)(Demodulating)，把實(shí)現(xiàn)解調(diào)的部件稱為解調(diào)器(Demodulator)。解調(diào)時(shí)一般也需要一個(gè)本地的高頻振蕩信號(hào)，稱為恢復(fù)載波(或插入載波)。有時(shí)將收發(fā)設(shè)備中的調(diào)制器和解調(diào)器合稱為調(diào)制解調(diào)器(Modem)

6、。第1章 緒論圖 1-2 鏡像抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)(a) Hartley結(jié)構(gòu)；(b) Weaver結(jié)構(gòu)第1章 緒論圖 1-3 零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)第1章 緒論由上面的例子可以總結(jié)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(nèi)容應(yīng)該包括: (1) 高頻振蕩器(信號(hào)源、載波信號(hào)或本地振蕩信號(hào))；(2) 放大器(高頻小信號(hào)放大器及高頻功率放大器)；(3) 混頻或變頻(高頻信號(hào)變換或處理)；(4) 調(diào)制與解調(diào)(高頻信號(hào)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(dòng)增益控制(AGC)或自動(dòng)電平控制(ALC)電路，自動(dòng)頻率控制(AFC)電路和自動(dòng)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(jī)中的干擾與噪聲問題。需要說明的是，雖然許多通信設(shè)備可以用集成電路(IC)來實(shí)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(gòu)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(guān)技術(shù)問題，就是本書的研究對(duì)象。應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際的通信設(shè)備比上面所舉例子要復(fù)雜得多。比如發(fā)射機(jī)的振蕩器和接收機(jī)的本地振蕩器就可以用更復(fù)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(hào)。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(guān)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(shí)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(gè)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(shí)收發(fā)的通信方式；而雙工通信是一種可以同時(shí)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(guān)換成雙工器就成了雙工方式。(3) 按照調(diào)制方式

9、的不同來劃分，有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)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(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同。但是組成設(shè)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(diǎn)來研究這些基本電路，認(rèn)識(shí)其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其它類型的通信系統(tǒng)。第1章 緒論1. 時(shí)間特性時(shí)間特性一個(gè)無線電信號(hào)，可以將它表示為電壓或電流的時(shí)間函數(shù)，通常用時(shí)域波形或數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。對(duì)于較簡(jiǎn)單的信號(hào)(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(hào)的時(shí)間特性就是信號(hào)

10、隨時(shí)間變化快慢的特性。信號(hào)的時(shí)間特性要求傳輸該信號(hào)的電路的時(shí)間特性(如時(shí)間常數(shù))與之相適應(yīng)。1.2 信號(hào)、頻譜與調(diào)制信號(hào)、頻譜與調(diào)制第1章 緒論2. 頻譜特性頻譜特性對(duì)于較復(fù)雜的信號(hào)(如話音信號(hào)、圖像信號(hào)等)，用頻譜分析法表示較為方便。這是因?yàn)槿魏涡问降男盘?hào)都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號(hào)之和，如圖1-4所示。圖中實(shí)線為一重復(fù)頻率為F的方波脈沖信號(hào)，點(diǎn)劃線為該脈沖信號(hào)的直流分量，短虛線為其基波分量，長(zhǎng)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(hào)分解 第1章 緒論對(duì)于周期性信號(hào)，可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成

11、諧頻關(guān)系)，例如圖1-5即為圖1-4所示信號(hào)的頻譜圖；對(duì)于非周期性信號(hào)，可以用傅里葉變換的方法分解為連續(xù)譜，信號(hào)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(hào)中各個(gè)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(hào)都會(huì)占據(jù)一定的帶寬。從頻譜特性上看，帶寬就是信號(hào)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(hào)，其帶寬不同，比如，話音的頻率范圍大致為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(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用或頻分多址，而且也

12、可以傳播某些寬頻帶的消息信號(hào)(如圖像信號(hào))，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(hào)都具有一定的頻率或波長(zhǎng)。我們這里所講的頻率特性就是無線電信號(hào)的頻率或波長(zhǎng)。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(zhǎng)比較長(zhǎng)的電磁波，占據(jù)的頻率范圍很廣。在自由空間中，波長(zhǎng)與頻率存在以下關(guān)系: c=f (1-1)式中:c為光速，f和分別為無線電波的頻率和波長(zhǎng)，因此，無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對(duì)較低的電磁波。對(duì)頻率或波長(zhǎng)進(jìn)行分段，分別稱為頻段或波段。不同頻段信號(hào)的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不

13、同，因而它們的分析方法和應(yīng)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(guān)于傳播方式和用途的劃分是相對(duì)而言的，相鄰頻段間無絕對(duì)的分界線。第1章 緒論第1章 緒論應(yīng)當(dāng)指出，不同頻段的信號(hào)具有不同的分析與實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于米波以上(含米波，1 m)的信號(hào)通常用集總(中)參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于米波以下(1 m)的信號(hào)一般應(yīng)用分布參數(shù)的方法來分析與實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然，這也是相對(duì)的。另外，從表中可以看出，頻段劃分中有一個(gè)“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

14、性無線通信的傳輸媒質(zhì)主要是自由空間。頻率或波長(zhǎng)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(hào)的傳播方式、傳播距離、傳播特點(diǎn)等。無線電信號(hào)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(huì)擴(kuò)散，接收機(jī)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(huì)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(dá)接收機(jī)時(shí)的強(qiáng)度大大衰減。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(diǎn)的關(guān)鍵因

15、素是無線電信號(hào)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(duì)流層散射傳播第1章 緒論一般來講，無線電信號(hào)的輻射是多方向的。由于地球是一個(gè)巨大的導(dǎo)體，電波沿地面?zhèn)鞑?繞射)時(shí)能量會(huì)被吸收(趨膚效應(yīng)引起)，通常是波長(zhǎng)越長(zhǎng)(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(zhǎng)波)信號(hào)可以以地波的方式繞射傳播很遠(yuǎn)，并且比較穩(wěn)定，多用作遠(yuǎn)距離通信與導(dǎo)航。實(shí)際上，繞射依賴于電波的波長(zhǎng)、物體的體積與形狀、繞射點(diǎn)入射波的振幅、相位和極化情況等，當(dāng)電波的波長(zhǎng)大于物體的體積時(shí)容易發(fā)生繞射。第1章 緒論短波波段的無線電

16、波沿地面?zhèn)鞑サ木嚯x很近，遠(yuǎn)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(duì)通過的電波也有吸收作用，頻率越高的信號(hào)，電離層吸收能力越弱，或者說電波的穿透能力越強(qiáng)。因此，頻率太高的信號(hào)會(huì)穿過電離層而達(dá)到外層空間。另一方面，電離層也是一層介質(zhì)，對(duì)射向它的無線電波會(huì)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(duì)于短波信號(hào)，F(xiàn)2層是反射層，D、E層是吸收層

17、(因?yàn)樗鼈兊碾娮用芏刃。粷M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(yīng)當(dāng)指出，由于電離層的狀態(tài)隨著時(shí)間(年、季、月、天、小時(shí)甚至更小單位)而變化，因此，利用電離層進(jìn)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(jià)格低廉的遠(yuǎn)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(zhì)的介質(zhì)的交界處都會(huì)發(fā)生反射，因此，當(dāng)電波遇到比波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)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(nèi)的大氣層稱為對(duì)流層，該層的空氣密度較高，所有

18、的大氣現(xiàn)象(如風(fēng)、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(duì)流層。在這個(gè)層中由于大氣湍流運(yùn)動(dòng)等原因形成的不均勻性就是電波的散射源。散射具有很強(qiáng)的方向性和隨機(jī)性。接收到的能量與入射線和散射線的夾角有關(guān)。散射信號(hào)隨時(shí)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，散射是在電波通過的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常大時(shí)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

19、，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(dāng)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(kuò)大傳輸距離?？傊?，長(zhǎng)波信號(hào)以地波繞射為主；中波和短波信號(hào)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(hào)大多以直射方式傳播，也可以采用對(duì)流層散射的方式傳播。第1章 緒論5. 調(diào)制特性調(diào)制特性調(diào)制在無線通信中的作用至關(guān)重要。無線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個(gè)原因就是高頻適于天線輻射和無線傳播。只有當(dāng)天線的尺寸大到可以與信號(hào)波長(zhǎng)相比擬時(shí)，天線的輻射效率才會(huì)較高，從而以較小的信號(hào)功率

20、傳播較遠(yuǎn)的距離，接收天線也才能有效地接收信號(hào)。若把低頻的調(diào)制信號(hào)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(zhǎng)度幾乎無法實(shí)現(xiàn)。如果通過調(diào)制，把調(diào)制信號(hào)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(diào)制還有一個(gè)重要作用就是可以實(shí)現(xiàn)信道的復(fù)用，提高信道利用率。所謂調(diào)制，就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(shù)，使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)(振幅、頻率或相位)按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。第1章 緒論根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制分為三種基本方式，它們是振幅調(diào)制(調(diào)幅)、頻率調(diào)制(調(diào)頻)、相位調(diào)制(調(diào)相)，分別用AM、FM、PM表示，還可以有組合調(diào)制方式。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為數(shù)字信號(hào)調(diào)制

21、時(shí)，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(duì)應(yīng)的調(diào)制為正弦調(diào)制。若載波為一脈沖信號(hào)，則稱這種調(diào)制為脈沖調(diào)制。本課程中主要討論模擬消息(調(diào)制)信號(hào)和正弦載波的模擬調(diào)制，但這些原理甚至電路完全可以推廣到數(shù)字調(diào)制中去。不同的調(diào)制信號(hào)和不同的調(diào)制方式，其調(diào)制特性不同。調(diào)制的逆過程稱為解調(diào)或檢波，其作用是將已調(diào)信號(hào)中的原調(diào)制信號(hào)恢復(fù)出來。第1章 緒論1.3 本課程的特點(diǎn)本課程的特點(diǎn)高頻電子線路廣泛應(yīng)用于通信與電子系統(tǒng)中，高頻電子線路的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求也通常具有系統(tǒng)性。應(yīng)用于電子系統(tǒng)和電子設(shè)備中的高頻電子線路

22、幾乎都是由線性的元件和非線性的器件組成的。嚴(yán)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(duì)于高頻小信號(hào)放大器，由于輸入的信號(hào)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(duì)非線性器件的描述通常用多個(gè)參數(shù)，如直流跨導(dǎo)、時(shí)變跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)，而且大都與控制變量有關(guān)。在分析非線性器件對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)，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(shí)際中，要想精確求解十分困難，一般都采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的方法進(jìn)行近似分析。在工程上也往往根據(jù)實(shí)際情況對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以