無線電基礎(chǔ)知識講義

無線電基礎(chǔ)講義無線電講義第一節(jié)無線電基本原理無線電波基本概念什么是無線電波無線電波是一種電磁波。當處于空間的導線通過高頻振蕩電流時，在它的周圍空間就要產(chǎn)生不可分割的電場和磁場。電場和磁場是統(tǒng)一的客觀物質(zhì)－電磁場的兩個方面，當導線周圍產(chǎn)生變化的磁場時變化的磁場附近空間又會產(chǎn)生變化的電場；這種變化的電場又會產(chǎn)生變化的磁場，這種不斷交變著的電場和磁場，越來越遠地向周圍空間傳播。這種在空間以—定速度傳播的交變電磁場，就稱為電磁波。圖1－1電磁波的傳播過程示意圖我們知道：交流電每秒發(fā)生50次改變方向和大小的周期性變化。在電學里，把電流強度隨時間作周期性變化的電流叫作振蕩電流。振蕩電流每秒周期性變化的次數(shù)叫作振蕩頻率。頻率單位為Hz，一般用KHz（千赫茲），MHz（兆赫茲），GHz（吉赫茲）來表示；1000Hz＝1KHz，1000KHz＝1MHz，1000MHz＝1GHz。電磁波的傳播速度極快，在真空或空氣中的傳播速度和光速（用‘c’表示）差不多，約為30萬千米/秒。在高頻振蕩電流振蕩一個周期的時間內(nèi)，電磁場在空間的傳播距離叫做電磁波的波長（用‘λ’表示）。假定高頻振蕩電流的頻率用f表示，則有：λ＝c/f。通過電磁波譜可知，無線電波就是依靠自由空間（包括空氣和真空）傳播的頻率從3KHz到3000GHz范圍內(nèi)的電磁波。無線電技術(shù)是通過無線電波傳播信號的技術(shù)。（2）為什么無線電波頻段從3KHz開始。在無線電技術(shù)里，向外發(fā)射的是高輻射能量的高頻（一般在幾百千赫以上）振蕩電流，而每秒振蕩幾十次的低頻振蕩電流，在無線電廣播技術(shù)中是不適用的。因為：1、無線電通信系統(tǒng)是通過空間輻射方式傳送信號，為了有效地進行電磁能的輻射，天線尺寸與輻射信號波長相比擬，天線長度一般為波長的λ/4、λ/2、λ，對于低頻信號來說，發(fā)射低頻信號的輻射天線尺寸要在幾十公里以上，投資巨大，不好實現(xiàn)；如，對于1000Hz的語音信號，如果用λ/4天線直接輻射，相應(yīng)的天線尺寸應(yīng)為75km。2、低頻信號頻率范圍相互重疊，不同發(fā)射臺的信號頻率相同或相近，用接收機無法區(qū)分，會造成相互干擾。而采用高頻振蕩信號，可使信號互不重疊地占據(jù)不同的頻率范圍，接收機就可以分離出所需頻率的信號，不致互相干擾。3、振蕩的頻率越高，電場和磁場變化越快，產(chǎn)生的電磁場越強，輻射出去的能量也越多，這樣方能有效地把能量發(fā)射出去。4、頻率越高，單位時間內(nèi)可傳遞的信息越多，傳輸信息的速度就越快，傳遞所需時間就越短。故無線通信要用高頻振蕩信號，無線電波的頻率越高越容易傳播。所謂的“高頻”是指適合無線電發(fā)射和傳輸?shù)念l率。無線通信的一個發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。（3）無線電波特點：①傳輸不依靠電線；也不像聲波那樣，必須依靠空氣媒介幫它傳播。②頻率高，天線尺寸小，可以有效輻射頻率③范圍寬，分占，不重疊④傳播距離遠，速度快，而且衰減小二、無線電磁波的頻率劃分1、無線電信號按照其波長不同，可以分為：長波、中波、短波、超短波等。他們對應(yīng)的頻率分別為：低頻、中頻、高頻、超高頻等。表一無線電波段劃分表二廣播電視波段波段頻率電臺間隔用途LF(LW)120－300KHz——長波調(diào)幅廣播MF(AM)525KHz－1605KHz9KHz中波調(diào)幅廣播HF(SW)3.5－29.7KHz9KHz短波調(diào)幅廣播及單邊帶通訊VHF(FM)88108MHz150KHz調(diào)頻廣播及數(shù)據(jù)廣播VHF48.5－92MHz8MHz電視及數(shù)據(jù)廣播VHF167223MHz8MHz電視及數(shù)據(jù)廣播UHF223－443MHz8MHz電視及數(shù)據(jù)廣播UHF443－870MHz8MHz電視及數(shù)據(jù)廣播三、無線電波的傳播特性集膚效應(yīng)是指當頻率升高時，電流只集中在導體的表面。當頻率很高時，導體中心部位幾乎完全沒有電流流過，這相當于把導體的橫截面積減小為導體的圓環(huán)面積，導電的有效面積較直流時大為減小，交流電阻遠大于直流電阻。工作頻率越高，圓環(huán)的面積越小，導體電阻就越大，從而使導體損耗增加，電路性能惡化。從趨膚效應(yīng)的結(jié)果來看，相當于減小了導體的有效面積，從而增加了電阻值，電阻越大，損耗功率越大，線圈在電路中感抗作用就越不明顯，這是我們所不希望的。在高頻時，減少趨膚效應(yīng)的影響，降低導體的電阻值可采取以下辦法：用幾根在端點相連的絕緣導線擰成多股線，增加總表面面積(收音機輸入電路中磁棒上的線圈大多采用這種多股線)，在銅導線表面鍍上銀，以減小電阻值。在高頻大功率無線電設(shè)備中，還可將導體做成空心管狀，以節(jié)省金屬材料，等等。1、介質(zhì)對無線電波的傳播影響無線電波在介質(zhì)中傳播時電波會衰減，衰減的快慢與電導率σ和頻率f有關(guān)。電導率σ越大，衰減越快，這是因為σ越大，電場在導體中引起的電流越大。波長越短（頻率越高）衰減越大?？梢?，對無線電波傳播來講，一種介質(zhì)是絕緣體還是良導體，不僅決定與介質(zhì)本身電導率的大小，而且還決定與電波的頻率。（1）金屬對于無線電波的屏蔽作用金屬是良導體，電磁波在金屬中傳播時會感應(yīng)出傳導電流，這一電流在金屬中流動時發(fā)熱，電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能，無線電波很快衰減。因此，無線電波不能在金屬等良導體介質(zhì)中傳播。根據(jù)這個道理，用金屬板圍成一個密閉的房間，外面的無線電信號就無法進入這個房間，這表明金屬對于無線電波有屏蔽作用。（2）海水中無線電波的傳播如果無線電波能像空氣中一樣在海水中傳播，我們就可以利用無線電實現(xiàn)水下通信，這對于水下勘探、救援以及潛水艇與陸地的通信具有重要的意義。電波在海水中的吸收衰減隨頻率升高而增大，根據(jù)理論計算，1MHz無線電波，在海水中只能傳播25cm，用這種頻率的無線電波進行水下通信顯然是行不通的。目前僅用于超長波水下通信。（3）地下無線電波傳播目前研究較多并已經(jīng)開始實用的是淺表沉積巖層的無線電通信，由于超長波或更長波段的電波可以在地殼波導中傳播到千余公里，所以沉積巖層無線電通信使用的也是超長波。2、無線電磁波的傳播途徑及傳播特性：地波傳播、天波傳播、直接傳播（空間波傳播）、散射波傳播、外球?qū)觽鞑ァ?)地波:沿地球表面?zhèn)鞑サ臒o線電波，如圖1－2。適用于超長波、長波和中波、短波。影響地波傳輸?shù)闹饕蛩赜蓄l率、功率、天線、地面的電導率、地形平坦度。對于長波、中波波段的無線電波而言，地球表面屬于半導體媒質(zhì)，因此言地面?zhèn)鞑サ牟〞艿剿p通常成為地損耗。這種損耗來自三個方面：一是在傳播過程中由于波的擴散而引起的自然衰減；二是由于地面有限電導率而導致的損耗，入住海面上傳播的波比在濕地上傳播時損失小，衰減慢；而在濕地上傳播的波又比在干土上傳播時損失?。欢詭r石組成的地面對無線電波的吸收為最大。三是頻率，由于趨膚效應(yīng)的影響，隨著頻率的增高，地面的損耗也增大，波的衰減亦與大，所以當頻率在1.6MHz以上的電波，除非通訊距離很短，一般不采用地波傳播方式。另外地球的曲率也是影響地波傳播的一個因素，因為地波是圍繞地球繞射傳播的。而繞射產(chǎn)生的可能條件是波長λ＞物體（高山或地球隆起部分）的尺寸時，才有繞射，無線電波也才有可能繞過地球隆起的部分繼續(xù)向前傳播。波長越長，繞射能力越強。地形越平坦，無線電波傳播的越遠。減少地波損耗的辦法是加大功率、提高天線的效率，增加地導率。地波的傳播特點是穩(wěn)定。大地的電導率也可能因季節(jié)和天氣的影響而發(fā)生變化，例如同一種土壤，冬季上凍時的電導率σ=2豪西/米，而夏季的電導率卻為20豪西/米，但這種變化與后面敘述的電離層的變化比較起來是不大的，是相當穩(wěn)定的。圖1－2地波傳播2)天波:也即電離層波。地球大氣層的高層約60Km存在著“電離層”?！半婋x層”是地球大氣的一個電離區(qū)域。由于受地球以外射線（主要是太陽輻射）對中性原子和空氣分子的電離作用，距地表60千米以上的整個地球大氣層都處于部分電離或完全電離的狀態(tài)。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。無線電波進入電離層時其方向會發(fā)生改變，出現(xiàn)反射和折射。因為電離層折射效應(yīng)的積累，電波的入射方向會連續(xù)改變，最終會“拐”回地面，電離層如同一面鏡子反射無線電波。我們把這種經(jīng)電離層反射而折回地面的無線電波稱為“天波”。如圖1－3。天波受氣候、季節(jié)、晝夜等因素影響較大。電離層對通過的電波也有吸收作用，頻率越高，吸收能力越弱。當頻率升高超過一定值時，電磁波將會穿過電離層，不再返回地面。所以天波適用于10m200m的短波。中波的傳播特點白天，無線電波的中波波段傳播由于受到電離層D層的嚴重吸收，不能利用電離層反射作遠距離通信，只能以地波傳播，這是中波波段的一個缺點。到了晚上，隨著D層的消失，E層的電子濃度也有所減少，且其高度升高，氣體分子相應(yīng)減少，離子碰撞頻率下降，電離層對中波電波的吸收減弱，所以晚上便出現(xiàn)了天波。天波出現(xiàn)的標志是在距發(fā)射機150～200公里以外地區(qū)同時存在天波與地波，這就表現(xiàn)為“衰落”現(xiàn)象。在離發(fā)射機比較遠的地方，白天由于電場強度不大，接收信號較弱，但到了晚間卻可收到較強信號，這就是天波起作用。（1）衰落現(xiàn)象當夜幕降臨時，在距發(fā)射機不遠的距離（150～200公里），會發(fā)現(xiàn)電波的電場強度在不規(guī)則的變化，稱之為衰落。由于到達接收地點的電波是由不同路徑而來，且經(jīng)由電離層反射的電波由于電離層不規(guī)則變化的影響，使電波幅度與相位亦作不規(guī)則改變，應(yīng)而與表面波的合成信號強度忽大忽小，這就是產(chǎn)生衰落的原因。在調(diào)幅波中，不同頻率有不同的相位變化，應(yīng)而天波與地波的合成信號中就會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，這就是通稱的選擇性衰落，是在各種衰落中影響信號質(zhì)量最嚴重的一種衰落。（2）信號強度的變化情況中波傳播中的地波與天波，隨著其相對強弱程度，可分為三個地區(qū)：①地波服務(wù)區(qū)：離發(fā)射機較近的地區(qū)，地波場強較大，即使在晚上，也遠大于天波場強，在這區(qū)域主要依靠地波服務(wù)其電場強度與晝夜變化無關(guān)。該地區(qū)信號穩(wěn)定，接收質(zhì)量良好。②衰落區(qū)：在離發(fā)射機稍遠的地區(qū)，白天靠地波信號，到晚上，由于天波的出現(xiàn)，其強度與地波可以相比，因而引起衰落，此區(qū)域內(nèi)接收質(zhì)量最差。③天波服務(wù)區(qū)：白天地波不能到達，而晚上可以收到一定強度的天波信號，這地區(qū)信號雖有變化，但接收質(zhì)量較衰落區(qū)好。而短波波段的無線電波主要依賴電離層的反射傳播，因此電離層特性的變化情況對短波傳播的影響極大。圖1－3天波傳播3）空間波：由發(fā)射天線直接到達接收點的電波，被稱為直射波。有一部分電波是通過地面或其他障礙物反射到達接收點的，被稱為反射波。直射波和反射波合稱為空間波。空間波只限于視距，因此也稱為視距傳播?？臻g波可通過架高天線、中繼等方式來擴大傳輸距離。通常，50米高的天線通信距離約50公里。超短波和微波采用空間波傳播。如圖1－4。圖1－4視距傳播4）散射波：當對流層（12～16Km）和電離層出現(xiàn)不均勻團塊時，無線電波有可能被這些不均勻媒質(zhì)向四面八方折射和散射，使一部分能量到達接收點，這就是散射波。它利用空中介質(zhì)對電磁波的散射作用，在兩地間進行通信。散射條件：阻擋物體較多，物體體積小于波長。散射通信是一種超視距的通信手段。由于散射通信中電磁波傳輸損耗很大，到達接收端的信號很微弱，為了實現(xiàn)可靠的通信，一般要采用大功率發(fā)射機，高靈敏度接收機和高增益、窄波束的天線。5）外球?qū)觽鞑ィ弘x開地面1000Km以外的宇宙間通信稱為外球?qū)觽鞑ァｋx開地面9001200Km的高度稱為外球?qū)?。?00MHz以上的頻率可以利用外球?qū)舆M行宇宙通信。衛(wèi)星通信、衛(wèi)星電視就是這種傳播方式。如圖1－5。圖1－5外球?qū)觽鞑ゲ煌牟ㄩL具有不同的傳播特性，其用途也各不相同，見表3。例如長波以地波繞射為主。中波和短波信號可以以地波和天波兩種方式傳播，但中波以地波為主，受地面的吸收作用，使中波的傳播距離受到限制。但中波的信號穩(wěn)定，多用于省市以內(nèi)較近距離的無線電廣播和海上船舶、導航通信。短波的傳播以天波為主，主要靠地面和天空中電離層之間的反射，由于電離層不穩(wěn)定，信號沒有中波穩(wěn)定，但傳播距離遠，多用于國際間的無線電廣播。超短波以上頻段能夠穿透電離層而不被其反射，與光線的傳播性質(zhì)相似，大多以空間波傳播，也可以采用散射波的方式傳播，主要用于電視、雷達和近距離通訊。衛(wèi)星通信使用1～10吉赫（GHz）的微波波段，是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電信號，具有大面積覆蓋能力，在兩個或多個地面站之間進行的通信，可進行越洋通信和洲際通信，且不受大氣層騷動的影響，通信可靠。表3無線電波的應(yīng)用3、無線電波的極化方式無線電波是一種橫波，其“電場方向”、“磁場方向”和“波的傳播方向”三者之間“兩兩互相垂直”。常用“電場強度矢量”的變化來代表無線電波的變化?！半妶鰪姸仁噶俊钡姆较蚓哂写_定的規(guī)律，這種現(xiàn)象叫做無線電的極化。如果電場方向的空間軌跡為一條直線，并始終在一個平面內(nèi)傳播，則稱為線極化波。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。垂直極化波或水平極化波是線極化波的一種特性形式（水平極化分量為零或垂直極化分量為零）。如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。顯然橢圓極化是無線電波極化概念的最通用的表敘形式，其它極化形式可作為橢圓極化的特殊情況。表3列出無線電波的四種極化方式及其優(yōu)缺點。表3無線電波極化方式極化方式英文縮寫定義用途優(yōu)缺點線極化水平極化V極化方向與地面平行調(diào)頻、短波、地面電視衛(wèi)星廣播等結(jié)構(gòu)簡單、但安裝維護復雜垂直極化H極化方向與地面垂直中波、移動通信、衛(wèi)星電視廣播等圓極化左旋圓極化L極化方向逆時針變化衛(wèi)星電視電波穿過雨霧層和電離層衰減小，接收時不要調(diào)整極化角，安裝維護簡單右旋圓極化R極化方向順時針變化廣播垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３dB的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；當接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的電信號，變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。四、無線電波發(fā)射原理既然無線電發(fā)射靠的是高頻振蕩電流。那高頻電流又是怎樣產(chǎn)生的呢？產(chǎn)生高頻振蕩電流的電路叫作高頻振蕩電路，它一般是由一個線圈（用字母L表示）和電容（用字母C表示）構(gòu)成的回路組成，所以叫LC振蕩電路，如圖1－5所示：圖1－5振蕩電路中的電流變化曲線在電路1－5（a）中，電容C經(jīng)由一個開關(guān)K和電池組并聯(lián)，電池組向C充電。當C充滿電荷時，兩極板間的電場最強，其兩端的電壓也最大（等于電池組的電壓）。這時開關(guān)沒有把線圈接入，LC回路呈開路狀態(tài)，電路中的能量全部是電能。當開關(guān)K扳向線圈，把電池組和電容斷開，LC就構(gòu)成了閉合回路。這時電容C便通過線圈L放電，由于L的自感作用，放電電流i不能立刻達到最大值而只能逐漸增大。在放電過程中，電容極板上的電荷逐漸減少，電場逐漸減弱。但隨著L中的電流增大，線圈中的磁場卻逐漸加強。在C放電的過程中，LC回路中的電場能被逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈中的磁場能。C放電完畢，極板上的電荷和電場全部消失，通過L中的電流i達到最大值，電容C中的電場能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈L中的磁場能，如圖1－5（b）。在此過程中形成了振蕩電流i的OA段。隨后，由于線圈L的自感作用，電流到達最大值后并不立即消失，而是逐漸減小，線圈L中的磁場也開始減弱。磁場的變化要產(chǎn)生感生電流。因此電容C又被感生電流反方向重新充電，這時，電容極板上的電荷極性和極板間的電場方向跟以前相反。在這個過程中，L中的磁場能又被逐漸轉(zhuǎn)變成為電容器中的電場能。隨著磁場的逐漸減弱，感生電流也逐漸減小。當L中的磁場減小到零時，感生電流i也為零，磁場能全部轉(zhuǎn)換成電場能，此時C極板兩端的電壓和極板間的電場達到最大值，但方向和原來相反，如圖1－5（c）所示。于是形成了振蕩電流i的AB段。接著，電容器C又要通過線圈L進行放電，產(chǎn)生和前面放電電流方向相反的電流。放電完畢時，電路中的磁場又再一次的全部轉(zhuǎn)變成磁場能。只是這時線圈中的磁場方向和圖1－5（b）相反，如圖1－5（d）所示。這個過程形成了振蕩電流i的BC段。而后，在線圈L的自感作用下，感生電流再次使電容C充電，線圈中的磁場能又如圖1－5（e）所示，全部轉(zhuǎn)化為電容器的電場能，形成了振蕩電流的CD段。這樣上述電場和磁場周期性轉(zhuǎn)化的過程就會反復循環(huán)地進行下去，從而在LC回路中得到周期性變化的振蕩電流。圖1－6阻尼振蕩和等幅振蕩其實，在LC振蕩回路中，由于線圈導線中有電阻的存在，必然要引起能量損失，所以振幅（振蕩電流i的最大值）會逐漸減小，最終導致停振。這種振蕩被稱作減幅振蕩或阻尼振蕩，其振蕩波形如圖1－6（a）。如果能在振蕩過程中適時地給LC回路補充能量，來補償電路上的能量損耗，那么振幅就會保持不變。這種振幅不變的振蕩叫作等幅振蕩，如圖1－6（b）所示。在無線電發(fā)射技術(shù)中，所需要的是等幅振蕩，這就需要不斷地給振蕩回路補充能量。在實際電路中的做法是，從振蕩回路取出一部分振蕩電流送給放大器進行放大，然后把經(jīng)放大器放大的振蕩電流再補充給振蕩回路，就使得振蕩電路能夠保持等幅振蕩。這種放大器和LC回路被統(tǒng)稱為振蕩電路或振蕩器，如圖1－7就是一個振蕩電路的示意圖。由振蕩器產(chǎn)生的高頻等幅振蕩電流在LC回路中不斷地使電容器C內(nèi)的電場和線圈L內(nèi)的磁場發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于電容器C極板間的距離很小，線圈L也繞成螺線管狀，回路中的電場和磁場幾乎完全集中在電容器和線圈的內(nèi)部。這種振蕩回路向外輻射的電磁能量極小，是不利于向外輻射電磁波的。通常把這種振蕩電路叫作閉合振蕩電路。為了有效地發(fā)送電磁波，就要使振蕩電路中的電場和磁場盡可能地分布到周圍空間，這就必須對閉合振蕩電路加以變化。把電容器的極板尺寸加大，并把極板間的距離也相應(yīng)變化和增大，就會使電容器內(nèi)部電場向外輻射增多。如果繼續(xù)變化，直至把兩個極板變成兩條導線，一條伸入高空成為天線，另一條埋入地下成為地線，就變成了如圖1－8所示的開放式振蕩電路。開放式電路的天線和地線之間形成的分布電容替代了原來的電容器C，大大地增加了電場分布的空間，電場的周圍又產(chǎn)生磁場，磁場的周圍又產(chǎn)生電場，于是有效地把電磁波向周圍空間輻射出去。導線的輻射能力與導線長短和形狀有關(guān)。當導線的長度L遠小于波長時，導線的電流很小，輻射很微弱。當導線的長度增大到可與波長相比擬時，導線上的電流就大大增加，因而就能形成較強的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導線稱為振子。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長，全長為波長1/2的振子，稱為半波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。在實際的電路中，開放振蕩電路的線圈是和閉合電路的線圈繞在一起的。如圖19所示。振蕩器LC閉合回路當中的振蕩電流能有效地耦合到開放式電路的耦合線圈內(nèi)，使得開放電路的線圈內(nèi)產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，這一電流被傳送到天線，就向四周的空間發(fā)射了電磁波。圖19用耦合的開放電路發(fā)射電磁波第二節(jié)無線電波的調(diào)制一、調(diào)制、信號、頻譜1、調(diào)制聲音是由振動產(chǎn)生的：振動體周圍產(chǎn)生聲波，聲波在空氣中以340m/s的速度傳送，隨著距離的增加，衰減是很快的，傳送距離是有限的。音調(diào)的高低，就是聲音的頻率：20Hz～20KHz叫做“音頻”。把聲音的變化轉(zhuǎn)變成相對應(yīng)的電信號（稱為音頻信號）雖然能夠用導線傳向較遠的地方，但因頻率過低而不能用來進行發(fā)射。而高頻率的無線電波在空間卻可傳播得很遠很遠。如果能將高頻信號作為運載工具，把音頻信號裝載在高頻信號上，就能把音頻信號通過空間傳向遠方了。在無線電技術(shù)里，把運載音頻信號（或其它低頻信號）的高頻無線電波稱為載波，它的頻率叫載頻或射頻。把音頻信號（或其它低頻信號）加載到高頻無線電波的過程叫作調(diào)制，進行調(diào)制的裝置叫做調(diào)制器。經(jīng)過調(diào)制的載波信號稱為已調(diào)信號，也叫已調(diào)波。用來調(diào)制載波的音頻圖2－1調(diào)制中三種信號的關(guān)系信號（或其它低頻信號）叫作基帶信號，也叫調(diào)制信號。三種信號的關(guān)系見圖2－1。2、信號、頻譜在高頻電路中，我們要處理的無線電信號主要有三種：基帶信號、高頻載波信號和已調(diào)信號。所謂基帶信號，就是沒有進行調(diào)制之前的原始信號，也稱調(diào)制信號。這些無線電信號有多方面的特性，主要有時間特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳播特性。（1）時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(yīng)。（2）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2－2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，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。圖2－2信號分解對于周期性信號，可以表示為許多離散的頻率分量（各分量間成諧頻關(guān)系），例如圖2－3即為圖2－2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。圖2－3頻譜圖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。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，話音的頻率范圍大致為100Hz～6KHz，其主要能量集中在300Hz～3.4KHz。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基帶信號（如圖像信號），這是無線通信采用高頻的原因之一。（3）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，從105到10―4米。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(yīng)用范圍也不同。二、調(diào)制的分類1、按照調(diào)制的次數(shù)分類按照調(diào)制的次數(shù)可分為一次調(diào)制和雙重調(diào)制。用基帶信號直接去調(diào)制高頻載波，就是一次調(diào)制。雙重調(diào)制分為兩步。第一步用數(shù)字信號或模擬信號去調(diào)制第一個載波(稱為副載波）或在多路通信中用調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)多路復用（頻分多路復用和時分多路復用）。第二步用已調(diào)副載波或多路復用信號再調(diào)制一個公共載波，以便進行無線電傳輸。第二步的調(diào)制稱為二次調(diào)制。例如在電視廣播技術(shù)中，既要傳遞音頻信號又要傳遞視頻信號，音頻信號的頻率范圍是20Hz～20KHz，視頻信號的頻率范圍是0～6.0MHz，這兩個信號在頻譜上是重合的，如果混合到一起傳輸，在接收機中將無法恢復聲音信息和圖象信息。為了克服頻譜重疊，完成傳遞，使用兩個載波，一個是實際發(fā)射的載波，另一個是頻率為6.5MHz的第二載波，也就是副載波，這個副載波的頻率比兩個調(diào)制信號稍高一點，并采用二次調(diào)制，成功地完成信息的傳遞工作。調(diào)制過程是這樣的，先讓音頻信號對6.5MHz的副載波調(diào)頻，這時音頻信號的頻譜就位于6.5MHz的地方，然后再和0～6.0MHz的視頻信號混合，一起對第一載波調(diào)幅，完成調(diào)制工作。圖2－4為復合全電視信號的頻譜圖。圖2－4復合全電視信號的頻譜圖2、按照調(diào)制信號的性質(zhì)分類調(diào)制按照調(diào)制信號的性質(zhì)分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩類。模擬調(diào)制：一般指調(diào)制信號和載波都是連續(xù)波的調(diào)制方式。數(shù)字調(diào)制：一般指調(diào)制信號是離散的，而載波是連續(xù)波的調(diào)制方式。當調(diào)制信號為數(shù)字信號調(diào)制時，通常稱為鍵控，三種基本的鍵控方式為振幅鍵控、移頻鍵控、移相鍵控。移相鍵控又可分為絕對移相鍵控和差分移相鍵控。3、模擬調(diào)制按照載波的性質(zhì)分類按照載波的形式可分為正弦波調(diào)制和脈沖波調(diào)制兩類。三、正弦波調(diào)制一個載波信號U（t）＝Umcos（ωt＋θ）有三個參數(shù)：振幅Um、角頻率ω（ω=2πf）、初相角θ，讓其中之一按照連續(xù)的基帶信號規(guī)律變化，就是正弦波調(diào)制，并形成了三種調(diào)制方式。調(diào)幅（AM）：載波頻率和相角不變，使載波的幅度Um按調(diào)制信號線性變化的過程稱為調(diào)幅(AM)，被調(diào)制后的已調(diào)波稱為調(diào)幅波。調(diào)頻（FM）：載波的振幅不變，使載波的瞬時頻率f、ω按調(diào)制信號線性變化的過程稱為調(diào)頻(FM)，被調(diào)制后的已調(diào)波稱為調(diào)頻波。調(diào)相（PM）：載波的振幅不變，使載波的瞬時相位角θ按調(diào)制信號線性變化的過程稱為調(diào)相(PM)，被調(diào)制后的已調(diào)波稱為調(diào)相波。1、振幅調(diào)制振幅調(diào)制是由調(diào)制信號去控制載波的振幅，使之按調(diào)制信號的規(guī)律變化，嚴格地講，是使高頻振蕩的振幅與調(diào)制信號成線性關(guān)系，其它參數(shù)（頻率和相位）不變。這是使高頻振蕩的振幅載有消息的調(diào)制方式。振幅調(diào)制分為三種方式：普通的調(diào)幅方式(AM)、抑制載波的雙邊帶調(diào)制(DSB－SC)及抑制載波的單邊帶調(diào)制(SSB－SC)方式。所得的已調(diào)信號分別稱為調(diào)幅波、雙邊帶信號及單邊帶信號。為了理解調(diào)制及解調(diào)電路的構(gòu)成，必須對已調(diào)信號有個正確的概念。本節(jié)對振幅調(diào)制信號進行分析，然后給出各種實現(xiàn)的方法及一些際調(diào)制電路。（1）調(diào)幅波的分析1）表示式及波形設(shè)載波電壓為uC＝UCcosωct調(diào)制電壓為uΩ＝UΩcosΩt通常滿足ωC>>Ω。根據(jù)振幅調(diào)制信號的定義，已調(diào)信號的振幅隨調(diào)制信號uΩ線性變化，由此可得振幅調(diào)制信號振幅Um(t)為U＝UC1＋m式中，ΔUC(t)與調(diào)制電壓uΩ成正比，其振幅ΔUC＝kaUΩ與載波振幅之比稱為調(diào)幅度（調(diào)制度）m＝?UCUC式中，ka為比例系數(shù)，一般由調(diào)制電路確定，故又稱為調(diào)制靈敏度。由此可得調(diào)幅信號的表達式u＝UC1＋mcos為了使已調(diào)波不失真，即高頻振蕩波的振幅能真實地反映出調(diào)制信號的變化規(guī)律，調(diào)制度m應(yīng)小于或等于1。圖2－5(c)、(d)分別為m＜1、m＝1時的已調(diào)波波形；圖2－5(a)、(b)則分別為調(diào)制信圖25AM調(diào)制過程中的信號波形號、載波信號的波形。當m＞1時，稱為過調(diào)制，如圖2－5(e)所示，此時產(chǎn)生嚴重的失真，這是應(yīng)該避免的。上面的分析是在單一正弦信號作為調(diào)制信號的情況下進行的，而一般傳送的信號并非為單一頻率的信號，例如是一連續(xù)頻譜信號?(t)，這時，可用下式來描述調(diào)幅波：uAMt＝UC1式中，?(t)是均值為零的歸一化調(diào)制信號，|?(t)|max＝1。若將調(diào)制信號分解為?t則調(diào)幅波表示式為uAMt＝UC1式中，mn＝kaUΩn/UC。如果調(diào)制信號如圖2－6（a），已調(diào)波波形則如圖2－6（b）所示。圖2－6實際調(diào)制信號的調(diào)幅波形2）調(diào)幅波的頻譜由圖2－5(c)可知，調(diào)幅波不是一個簡單的正弦波形。在單一頻率的正弦信號的調(diào)制情況下，調(diào)幅波如式(2－5)所描述。將式(2－5)用三角公式展開，可得uAMt＝上式表明，單頻調(diào)制的調(diào)幅波包含三個頻率分量，它是由三個高頻正弦波疊加而成，其頻譜圖見圖2－7。由圖及上式可看到：頻譜的中心分量就是載波分量，它與調(diào)制信號無關(guān)，不含消息。而兩個邊頻分量ωc十Ω及ωc－Ω則以載頻為中心對稱分布，兩個邊頻幅度相等并與調(diào)制信號幅度成正比。邊頻相對于載頻的位置僅取決于圖2－7單音調(diào)制時已調(diào)波的頻譜調(diào)制信號的頻率，這說明調(diào)制信號的（a）調(diào)制信號的頻譜；（b）載波信號的頻譜；幅度及頻率消息只含于邊頻分量中。（c）AM信號的頻譜在多頻調(diào)制情況下，各個低頻頻率分量所引起的邊頻對組成了上、下兩個邊帶。例如語音信號，其頻率范圍大致為300～3400Hz(如圖2－8(a)所示），這時調(diào)幅波的頻譜如圖2－8(b)所示。由圖可見，上邊帶的頻譜結(jié)構(gòu)與原調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)相同，下邊帶是上邊帶的鏡像。所謂頻譜結(jié)構(gòu)相同，是指各頻率分量的相對振幅圖2－8語音信號及已調(diào)信號頻譜及相對位置沒有變化。這就是說，AM調(diào)制(a)語音頻譜；(b)已調(diào)信號頻譜是把調(diào)制信號的頻譜搬移到載頻兩側(cè)，在搬移過程中頻譜結(jié)構(gòu)不變。這類調(diào)制方式屬于頻譜線性搬移的調(diào)制方式。單頻調(diào)制時，調(diào)幅波占用的帶寬BAM＝2F，F(xiàn)＝Ω／2π。如調(diào)制信號為一連續(xù)譜信號或多頻信號，其最高頻率為Fmax，則AM信號占用的帶寬BAM=2Fmax。信號帶寬是決定無線電臺頻率間隔的主要因素，如通常廣播電臺規(guī)定的帶寬為9kHz,VHF電臺的帶寬為25kHz。例如：用30～15000Hz的音頻信號去調(diào)制990KHz的載頻，它的上邊帶為990.03～1005KHz；它的下邊帶為989.97～975KHz。這個已調(diào)波的頻率范圍為975～1005KHz。已調(diào)波所占的頻帶寬度為1005KHz－975KHz=30KHz，換句話講，廣播電臺發(fā)射的調(diào)幅波的頻帶寬度為音頻最高頻率的兩倍。在實際上，廣播電臺的頻帶寬度是沒有30KHz的。我國中波調(diào)幅廣播的頻率范圍為535～1605KHz。若按30KHz計算，僅能設(shè)臺（1605—535）／30≈36（座）。對我們這樣大的一個國家來說，是不可能的。為了在有限的廣播頻率段中，既要防止臨近頻率電臺相互干擾，又要設(shè)置更多的電臺數(shù)目，只能壓縮每個電臺的頻帶寬度。國際上規(guī)定中波廣播的頻道間隔為9KHz。即每一電臺的頻帶寬度限制于9KHz之內(nèi)。故音頻信號中的高音頻率被限制在4.5KHz以下。在收聽中波調(diào)幅廣播時，其高音成分感到欠缺。尤其是播送音樂節(jié)目時，更是明顯。這是調(diào)幅廣播的一大弱點。此外，調(diào)幅廣播的另一不足是抗干擾能力差。因為各種工業(yè)干擾和天電干擾也會以調(diào)幅的形式疊加在載波上，成為干擾和雜音，影響收聽效果。3)調(diào)幅波的功率平均功率（簡稱功率）是對恒定幅度、恒定頻率的正弦波而言的。調(diào)幅波的幅度是變化的，所以它存在幾種狀態(tài)下的功率，如載波功率、最大功率及最小功率、調(diào)幅波的平均功率等。在負載電阻RL上消耗的載波功率為PC＝12π-π在負載電阻RL上，一個載波周期內(nèi)調(diào)幅波消耗的功率為P＝12π由此可見，P是調(diào)制信號的函數(shù)，是隨時間變化的。上、下邊頻的平均功率均為P邊頻＝1AM信號的平均功率Pav＝12π-π由上式可以看出，AM波的平均功率為載波功率與兩個邊帶功率之和。而兩個邊頻功率與載波功率的比值為邊頻功率載波功率＝m當100%調(diào)制時(m=l)，邊頻功率為載波功率的1/2，即只古整個調(diào)幅波功率的1/3。當m值減小時，兩者的比值將顯著減小，邊頻功率所占比重更小。同時可以得到調(diào)幅波的最大功率和最小功率，它們分別對應(yīng)調(diào)制信號的最大值和最小值為PmaxPmin＝PPmax限定了用于調(diào)制的功放管的額定輸出功率PH，要求PH≥Pmax。在普通的AM調(diào)制方式中，載頻與邊帶一起發(fā)送，不攜帶調(diào)制信號分量的載頻占去了2/3以上的功率，而帶有信息的邊頻功率不到總功率的1/3，功率浪費大，效率低。但它仍廣泛地應(yīng)用于傳統(tǒng)的無線電通信及無線電廣播中，其主要原因是設(shè)備簡單，特別是AM波解調(diào)很簡單，便于接收，而且與其它調(diào)制方式（如調(diào)頻）相比，AM占用的頻帶窄。（2）雙邊帶信號在調(diào)制過程中，將載波抑制就形成了抑制載波雙邊帶信號，簡稱雙邊帶信號。它可用載波與調(diào)制信號相乘得到，其表示式為uDSBt＝A＝k/Uc在單一正弦信號uΩ=UΩcosΩt調(diào)制時，uDSBt式中，g(t)是雙邊帶信號的振幅，與調(diào)制信號成正比。與式(2－3)中的Um(t)不同，這里g(t)可正可負。因此單頻調(diào)制時的DSB信號波形如圖2－9(c)所示。與AM波相比，它有如下特點：圖2－9DSB信號波形①包絡(luò)不同。AM波的包絡(luò)正比于調(diào)制信號?(t)的波形，而DSB波的包絡(luò)則正比于|?(t)|。例如g(t)＝AcosΩt，它具有正、負兩個半周，所形成的DSB信號的包絡(luò)為|cosΩt|。當調(diào)制信號為零時，即cosΩt＝0，DSB波的幅度也為零。②DSB信號的高頻載波相位在調(diào)制電壓零交點處（調(diào)制電壓正負交替時）要突變180°。由圖可見，在調(diào)制信號正半周內(nèi)，已調(diào)波的高頻與原載頻同相，相差0°；在調(diào)制信號負半周內(nèi)，已調(diào)波的高頻與原載頻反相，相差180°。這就表明，DSB信號的相位反映了調(diào)制信號的極性。因此，嚴格地講，DSB信號已非單純的振幅調(diào)制信號，而是既調(diào)幅又調(diào)相的信號。從式(2－16)看出，單頻調(diào)制的DSB信號只有ωc＋Ω及ωc－Ω兩個頻率分量，它的頻譜相當于從AM波頻譜圖中將載頻分量去掉后的頻譜。由于DSB信號不含載波，它的全部功率為邊帶占有，所以發(fā)送的全部功率都載有消息，功率利用率高于AM信號。由于兩個邊帶所含消息完全相同，故從消息傳輸角度看，發(fā)送一個邊帶的信號即可，這種方式稱為單邊帶調(diào)制。（3）單邊帶信號單邊帶(SSB)信號是由DSB信號經(jīng)邊帶濾波器濾除一個邊帶或在調(diào)制過程中，直接將一個邊帶抵消而成。單頻調(diào)制時，uDSB（t）＝AuΩuc。當取上邊帶時uDSBt取下邊帶時uDSBt＝1圖2－10單音調(diào)制的SSB信號波形圖2－11單邊帶調(diào)制時的頻譜搬移從上兩式看，單頻調(diào)制時的SSB信號仍是等幅波，但它與原載波電壓是不同的。SSB信號的振幅與調(diào)制信號的幅度成正比，它的頻率隨調(diào)制信號頻率的不同而不同，因此它含有消息特征。單邊帶信號的包絡(luò)與調(diào)制信號的包絡(luò)形狀相同。在單頻調(diào)制時，它們的包絡(luò)都是一常數(shù)。圖2－10為SSB信號的波形，圖2－11為調(diào)制過程中的信號頻譜。單邊帶調(diào)制從本質(zhì)上說是幅度和頻率都隨調(diào)制信號改變的調(diào)制方式。但是由于它產(chǎn)生的已調(diào)信號頻率與調(diào)制信號頻率間只是一個線性變換關(guān)系（由Ω變至ωc＋Ω或ωc－Ω的線性搬移)，這一點與AM及DSB相似，因此通常把它歸于振幅調(diào)制。SSB調(diào)制方式在傳送信息時，不但功率利用率高，而且它所占用頻帶為BSSB≈Fm，比AM、DSB減少了一半，頻帶利用充分，目前已成為短波通信中一種重要的調(diào)制方式。（4）振幅調(diào)制電路由上面的分析可以看出，AM、DSB及SSB信號都是將調(diào)制信號的頻譜搬移到載頻上去（允許取一部分），搬移的過程中，頻譜的結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，不產(chǎn)生fc±nF分量，均屬于頻譜的線性搬移，故同屬線性調(diào)制。因此，產(chǎn)生這些信號的方法必有相同之處。比較上面對AM、DSB和SSB信號的分析不難看出，這三種信號都有一個共項（或以此項為基礎(chǔ)），即調(diào)制信號UΩ與載波信號uc的乘積項，或者說這些調(diào)制的實現(xiàn)必須以乘法器為基礎(chǔ)。由式(1－5)、式(1－16)及式（1－l7）或式(1－18)可以看出，AM信號是在此乘積項的基礎(chǔ)上加載波或在uΩ的基礎(chǔ)上加一直流后與uc相乘得到的；DSB信號是將調(diào)制信號uΩ與載波信號uc直接相乘得到的；而SSB信號可以在DSB信號的基礎(chǔ)上通過濾波來獲得。因此，這些調(diào)制的實現(xiàn)電路應(yīng)包含有乘積項、因此在那些包含平方項（包含有乘積項）電路中，就可以用來完成上述調(diào)制功能。調(diào)制可分為高電平調(diào)制和低電平調(diào)制。高電平調(diào)制是將功放和調(diào)制合二為一，調(diào)制后的信號不需再放大就可直接發(fā)送出去。如許多廣播發(fā)射機都采用這種調(diào)制，這種調(diào)制主要用于形成AM信號。低電平調(diào)制是將調(diào)利和功放分開，調(diào)制后的信號電平較低，還需經(jīng)功率放大后達到一定的發(fā)射功率再發(fā)送出去。DSB、SSB以及調(diào)頻(FM)信號均采用這種方式。對調(diào)制器的主要要求是調(diào)制效率高、調(diào)制線性范圍大、失真要小等。1）電路原理要進行調(diào)制，必須利用電子器件的非線性特性。半導體器件、模擬集成電路與電子管等都是可以用作進行調(diào)幅的非線性器件。一般來說，振幅調(diào)制電路由輸入回路、非線性器件和帶通濾波器三部分組成。輸入回路：將載波信號Uc和調(diào)制信號UΩ耦合到非線性器件上。非線性器件：用來產(chǎn)生新的頻率。帶通濾波器：取出調(diào)幅波的頻率成分，抑制不需要的頻率。圖2－12非線性調(diào)幅方框圖圖2－12表示非線性調(diào)制的方框圖。這里將調(diào)制信號uΩ與載波uc相加后，同時加入非線性器件，然后通過中心頻率為ωc的帶通濾波器取出輸出電壓u0中的調(diào)幅波成分uAM。2）非線性元件的頻率變換作用常用的無線電元件有三類：線性元件、非線性元件和時變參量元件。線性元件的主要特點是元件參數(shù)與通過元件的電流或施與其上的電壓無關(guān)。例如，通常大量應(yīng)用的電阻、電容和空氣心電感都是線性元件。非線性元件則不同，它的參數(shù)與通過它的電流或施于其上的電壓有關(guān)。例如，通過二極管的電流大小不同，二極管的內(nèi)阻值便不同；晶體管的放大系數(shù)與工作點有關(guān)；帶磁芯的電感線圈的電感量隨通過線圈的電流而變化。有線性元件組成的電路叫做線性電路。非線性電路必定含有一個或多個非線性器件（晶體管或場效應(yīng)管等），而且所有的電子器件都工作在非線性狀態(tài)，例如我們將要討論的各種調(diào)制和解調(diào)器都是非線性電路。時變參量電路與上述兩種元件不同，它的參數(shù)是按照一定規(guī)律隨時間變化的。例如，有大小兩個信號同時作用于晶體管的基極。此時，由于大信號的控制作用，晶體管的靜態(tài)工作點隨著它發(fā)生變動，引起晶體管的跨導隨時間不斷變化。因而對小信號而言，可以把晶體管看成是一個變跨導的線性元件；跨導的變化主要取決于大信號，基本上與小信號無關(guān)。在無線電工程技術(shù)中，較多的場合非線性電路不用解非線性微分方程的方法來分析非線性電路，而是采用工程上適用的一些近似分析方法。這些方法大致分為圖解法和解析法兩類。所謂圖解法，就是根據(jù)非線性元件的特性曲線和輸入信號波形，通過作圖直接求出電路中的電流和電壓波形。所謂解析法，就是借助于非線性元件特性曲線的數(shù)學表達式列出電路方程，從而解得電路中的電流和電壓。一般來說，非線性元件的輸出信號比輸入信號具有更為豐富的頻率成分。許多重要的無線電技術(shù)過程，正是利用非線性元件的這種頻率變換作用才得以實現(xiàn)的。此外，還有非線性電抗元件，如磁心電感線圈和介質(zhì)是鈦酸鋇材料的電容器。前者的動態(tài)電感與通過電感線圈電流i的大小有關(guān)；而后者的動態(tài)電容與電容器上所加電壓u的大小有關(guān)。非線性電抗元件的應(yīng)用和特性將在以后的有關(guān)章節(jié)中討論。如果在一個線性電阻元件上加某一頻率的正弦電壓，那么在電阻中就會產(chǎn)生同一頻率的正弦電流。反之，給線性電阻通入某一頻率的正弦電流，則在電阻兩端就會得到同一頻率的正弦電壓。既可用歐姆定律計算－解析法，也可以用圖2－13所示的圖解法表示。此時，線性電阻上的電壓和電流具有相同的波形與頻率。圖2－13線性電阻上的電壓圖2－14正弦電壓作用于與電流波形半導體二極管產(chǎn)生非正弦周期電流對于非線性電阻來說，情況就大不相同了。例如圖2－14(a)表示半導體二極管的伏安特性曲線。當某一頻率的正弦電壓v＝Vmsinωt作用于該二極管時，根據(jù)如圖2－14(b)所示v(t)的波形和二極管的伏安特性曲線，即可用作圖的方法求出通過二極管的電流i(t)的波形，如圖2－14(c)所示。顯然，它已不是正弦波形（但它仍然是一個周期性函數(shù)）。所以非線性元件上的電壓和電流的波形是不相同的。如果將電流i（t）用傅立葉級數(shù)展開，可以發(fā)現(xiàn)，它的頻譜中除包含電壓v（t）的頻率成分ω（即基波）外，還新產(chǎn)生了ω的各次諧波及直流成分。也就是說，半導體二極管具有頻率變換的能力。一般來說，非線性元件的輸出信號比輸入信號具有更為豐富的頻率成分。許多重要的無線電技術(shù)過程，正是利用非線性元件的這種頻率變換作用才得以實現(xiàn)的。用解析法分析非線性電路是，首先需要寫出非線性元件特性曲線的數(shù)學表示式。二極管和三極管的輸入特性是指數(shù)函數(shù)，場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性是二次函數(shù)。我們可以根據(jù)對頻率變換的需求選擇不同的元器件。非線性器件的伏安特性，可用下面的非線性函數(shù)來表示i＝?(u)式中，u為加在非線性器件上的電壓。一般情況下，u=EQ+Ui。其中EQ為靜態(tài)工作點，Ui為輸入電壓。我們可以通過對二極管的冪級數(shù)分析了解非線性電路進行頻率變換的原理。設(shè)二極管的伏安特性為i＝?(u)，二極管的靜態(tài)工作點為U，則在該點附近的泰勒級數(shù)也叫冪級數(shù)的展開式為（2－19）該式也可簡化為（2－20）式中如果直接使用式（2－20）所表示的冪數(shù)級，或者級數(shù)的項數(shù)取得過多，必將給計算帶來很大麻煩。而且從工程計算的角度來要求，也沒有這種必要。因此，實際應(yīng)用中常常只取級數(shù)的若干項就夠了。例如，若信號電壓很小，而且只工作于特性曲線比較接近于直線的部分，這時，只需取冪級數(shù)的前兩項就可以了。3）低電平調(diào)幅電路1、單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路（平方率調(diào)幅）當二極管在兩個不同頻率電壓下進行頻率變換時，其中一個電壓振幅足夠大，另一個電壓振幅較小，二極管的導通或截止將完全受大振幅電壓的控制，可以近似認為二極管處于理想開關(guān)狀態(tài)。圖2－15單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路非線性器件為二極管，它的特性可表示為（2－21）式中，輸入電壓為（2－22）將式（2－22）代入式（2－21），即得·························直流項···························載波頻率·······················調(diào)制信號基頻····上、下邊頻····················載頻二次諧波·······················調(diào)制信號基頻·················調(diào)制信號二次諧波其中產(chǎn)生調(diào)幅作用的是a2vi（2－23）由上式顯然可知：調(diào)幅度（2－24）由式（2－24）可以得出如下結(jié)論：①調(diào)幅度ma的大小由調(diào)制信號電壓振幅uΩ及調(diào)制器的特性曲線所決定，即由a1、a2所決定。②通常a2＜＜a1，因此用這種方法得到的調(diào)幅度是不大的，效率不高。這種調(diào)幅方法主要用于低電平調(diào)制。此外，它還可以組成平衡調(diào)幅器，以抑制載波。2、平衡調(diào)幅器將兩個平方律調(diào)幅器按照圖2－16的對稱形式連接，就構(gòu)成平衡調(diào)幅器。這里是用二極管的平方律特性進行調(diào)幅的。平衡調(diào)幅器的輸出電壓只有兩個上、下邊帶，沒有載波。亦即平衡調(diào)幅器的輸出是載波被抑制的雙邊帶。證明如下：圖2－16串聯(lián)雙二極管平衡調(diào)幅器實際電路和等效電路圖由于二個二極管是相同的，可以假定它們的特性曲線能用同一個平方律公式來表示：（2－25）（2－26）式中將u1和u2的表示式代入式（2－25）和式（2－26）中，求得輸出電壓為（2－27）由式（2－27）顯然可知，輸出中沒有載波分量，只有上下邊帶（ωc±Ω）與調(diào)制信號頻率Ω（可用濾波器濾掉）。亦即平衡調(diào)幅器的輸出是載波被抑制的雙邊帶（DSBSC）。應(yīng)該指出，在以上這些電路中，無形中都已假定所有的二極管的特性都相同，電路完全對稱。這樣，輸出中才能將載波完全抑制。事實上，電子器件的特性不可能完全相同，所用變壓器也難于做到完全對稱。這就會有載波漏到輸出中去，形成載漏。因此，電路中往往要加平衡裝置，以使載漏減至最小。從平衡調(diào)幅器獲得載波被抑制的雙邊帶后，再設(shè)法濾去一條邊帶，即可獲得單邊帶輸出。因此，平衡調(diào)幅器是單邊帶技術(shù)中的基本電路。減少控制信號的泄漏的方法①選用特性相同的二極管；用小電阻與二極管串接，使二極管等效正、反向電阻彼此接近。②變壓器中心抽頭要準確對稱，分布電容及漏感要對稱，這可以采用雙線并繞法繞制變壓器，并在中心抽頭處加平衡電阻。同時，還要注意兩線圈對地分布電容的對稱性。③應(yīng)使其工作在理想開關(guān)狀態(tài)，且二極管的通斷只取決于控制電壓uc，而與輸入電壓uΩ無關(guān)。為此，要選擇開關(guān)特性好的二極管，如熱載流子二極管?？刂齐妷阂h大于輸入電壓，一般要大十倍以上。3、斬波調(diào)幅所謂斬波調(diào)幅，就是將要傳送的調(diào)制信號vΩ(t)通過一個受載波頻率ωc控制的開關(guān)電路（斬波電路），已使它的輸出波形被“斬”成周期為2π/ω0的脈沖，因而包含ωc±Ω及各種諧波分量等。再通過中心頻率為ω0的帶通濾波器，取出所需要的調(diào)幅波輸出v0(t)，即實現(xiàn)了調(diào)幅。圖2－17是斬波調(diào)幅器的方框圖，它的調(diào)幅過程圖解見圖2－18。設(shè)圖2－17中斬波電路按照圖2－18中的開關(guān)函數(shù)S1(t)對音頻信號vΩ(t)進行斬波。根據(jù)開關(guān)函數(shù)S1(t)以下式代表：S1t＝＋1cosω因此，S1(t)是一個振幅等于1、重復頻率為ω02π的矩形波。斬波后的電壓vt＝vΩtS由此可得到v(t)為一系列振幅按照vΩ(t)規(guī)律變化的矩形脈沖波，如圖2－18（c）所示。圖2－17斬波調(diào)幅器方框圖圖2－18斬波調(diào)幅器工作圖解我們剛講過的二極管平衡調(diào)幅電路就是斬波調(diào)幅，是用不對稱的開關(guān)電路獲得斬波調(diào)幅。實際上更常用對稱的開關(guān)電路來獲得斬波調(diào)幅。二極管環(huán)形電路二極管環(huán)形電路為雙平衡調(diào)制器，電路圖如圖2－19。這四個二極管的導通與截止完全由載波電壓u2決定。例如當a端為正，b端為負時，VD1和VD2導通，VD3和VD4截止。當a端為負，b端為正時，VD3和VD4導通，VD1和VD2截止。這里的VD1、VD2、VD3、VD4起到了電路中雙刀雙擲開關(guān)的作用。圖2－19二極管環(huán)形電路在uc(t)的正半周，D1和D2導通，D3和D4截止，等效電路圖如圖2－20。圖2－20二極管環(huán)形電路載波正半周等效電路圖D1和D2的開關(guān)函數(shù)為：（2－30）在無帶通濾波器的條件下，流過負載的總電流：（2－31）在uc(t)的負半周，D1和D2截止，D3和D4導通。等效電路圖如圖2－21。圖2－21二極管環(huán)形電路載波負半周等效電路圖而D3和D4的開關(guān)函數(shù)為：（2－32）在無帶通濾波器的條件下，流過負載的總電流：（2－33）將式（2－31）減去式（2－32）得到負載RL中的總電流為：（2－34）其中（2－35）則畫出開關(guān)函數(shù)K'ωct的波形圖，如圖2－22所示。開關(guān)函數(shù)K’(ωct)為上、下對稱的方波，峰－峰值等于2。畫出電流i和輸出電壓u0的波形圖如圖2－23所示。流過負載RL的總電流i中含有ωc±Ω、3ωc±Ω、5ωc±Ω等頻率分量。經(jīng)過中心頻率為ωc，通帶略大于Ω的帶通濾波器，則在上只取ωc±Ω的雙邊帶調(diào)幅電壓。結(jié)論：①二極管環(huán)形調(diào)幅電路能實現(xiàn)平衡調(diào)幅(DSB)②與雙二極管調(diào)幅電路相比輸出信號的頻譜少了Ω的成份，即沒有了低頻分量，且高頻分量的幅度提高了一倍。圖2－22開關(guān)函數(shù)K'ωct的波形圖圖2－2、角度調(diào)制在調(diào)頻或調(diào)相制中，載波的瞬時頻率或瞬時相位受調(diào)制信號的控制，作周期性的變化，變化的大小與調(diào)制信號的強度成線性關(guān)系，變化的周期由調(diào)制信號的頻率所決定。但已調(diào)波的振幅則保持不變，為等幅波，不受調(diào)制信號的影響。無論是調(diào)頻或調(diào)相，都會使載波的相角發(fā)生變化，因此調(diào)頻和調(diào)相統(tǒng)稱為角度調(diào)制，簡稱調(diào)角，屬于頻譜的非線性變換。和振幅調(diào)制相比，角度調(diào)制的主要優(yōu)點是抗干圖2－24調(diào)頻干擾消除擾能力強。因為干擾主要是影響載波的幅度，對載波的頻率幾乎沒有影響。因此在接收機中用限幅器很容易將干擾消除掉。參見圖2－24。調(diào)頻主要應(yīng)用于調(diào)頻廣播、廣播電視、通信及遙測等，調(diào)相主要應(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)中的移相鍵控。在調(diào)頻廣播中規(guī)定最高頻偏為75KHz，每個電臺所占頻帶寬寬為200KHz（帶寬＝（頻偏+音頻）×2，單聲道為180KHz，立體聲為198KHz）。比調(diào)幅廣播的二十倍還多。因而在調(diào)頻廣播中，可將音頻信號的高音頻率擴大至15KHz。所以調(diào)頻電臺的節(jié)目聽起來要比調(diào)幅廣播高音豐富、清晰、逼真。特別是在聆聽立體聲高保真音樂節(jié)目時，更是調(diào)幅廣播無法比擬的。中波與短波是不適合用作調(diào)頻廣播的，必須移至超短波的頻率范圍。我國使用的調(diào)頻廣播頻率范圍為88～108MHz。調(diào)頻與調(diào)相所得到的已調(diào)波及方程式是非常相似的。因為當頻率有所變動時，相位必然跟著變動；反之，當相位有所變動時，頻率也必然隨著變動。因此，調(diào)頻波和調(diào)相波的基本性質(zhì)有許多相同的地方。第三節(jié)無線電信號傳輸系統(tǒng)的組成一、通信系統(tǒng)組成實現(xiàn)信息傳遞所需的設(shè)備總和，稱為通信系統(tǒng)。一個完整的通信系統(tǒng)包括信源、發(fā)信設(shè)備、信道、收信設(shè)備和信宿五部分。信道為連接收、發(fā)兩端的信號通道，又稱傳輸媒介。信道分為有線信道（如架空明線，電纜，波導，光纖等）和無線信道（如海水，地球表面，自由空間等）。不同信道有不同的傳輸特性，同一信道對不同頻率信號的傳輸特性也是不同的。信源是將聲音、圖像、文字等要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換成原始電信號（基帶信號）的設(shè)備，例如話筒、攝像機。信宿是將原始電信號轉(zhuǎn)換成信息的設(shè)備，例如揚聲器、顯示器。發(fā)信設(shè)備是將原始電信號轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?，并發(fā)送到信道中的設(shè)備，例如發(fā)射機＋天線。收信設(shè)備是從信道中接收信號，并從接收到的信號中恢復原始電信號的設(shè)備，例如天線＋接收機。如圖3－1。圖3－1通信系統(tǒng)組成框圖二、無線發(fā)信設(shè)備和收信設(shè)備的組成在無線通信系統(tǒng)中，我們要處理的無線電信號主要有三種：調(diào)制（基帶）信號、高頻載波信號和已調(diào)信號。不同的基帶信號，不同的載波信號和不同的調(diào)制方式，將形成不同的通信系統(tǒng)，但是作為無線通信系統(tǒng)核心的無線收發(fā)設(shè)備的基本電路和原理都是相同的。無線電發(fā)信設(shè)備主要有三大任務(wù)：一是調(diào)制，二是放大，三是上混（變）頻。調(diào)制，是利用基帶信號去控制載波信號的某一參數(shù)，讓該參數(shù)隨基帶信號的大小而線形變化的處理過程，前面已有介紹。放大，是指對調(diào)制信號和已調(diào)信號的電壓和功率放大、濾波等處理過程，以保證送入信道足夠大的已調(diào)信號幅度，確保信號不失真發(fā)送到收信設(shè)備。上混（變）頻，將正弦波振蕩器發(fā)出的正弦波頻率通過變頻或倍頻變成載頻。如果已調(diào)波頻率不夠，也需要進行變頻。以無線電調(diào)幅廣播發(fā)射機為例介紹無線發(fā)信設(shè)備的組成。如圖3－2。圖3－2無線電調(diào)幅廣播發(fā)射機調(diào)幅發(fā)射機由一般由三個部分組成：高頻部分、音頻部分和電源部分。由于電源對發(fā)射機的工作原理沒有影響，