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文檔簡介
1、第1章 緒論 1.1 無線通信系統(tǒng)概述 1.2 信號、頻譜與調制 1.3 本課程的特點 思考題與習題 1.1 無線通信系統(tǒng)概述 高頻電路是通信系統(tǒng)高頻電路是通信系統(tǒng), 特別是無線通信系統(tǒng)的基礎特別是無線通信系統(tǒng)的基礎, 是無線通信設是無線通信設備的重要組成部分。備的重要組成部分。 一、無線通信系統(tǒng)的組成 無線通信無線通信(或稱無線電通信或稱無線電通信)的類型很多的類型很多, 可以根據傳輸方法、可以根據傳輸方法、 頻率頻率范圍、范圍、 用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng)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其設備組成和復雜度雖然有較大差異有較大差異, 但它們的基本組成不變但它們的基
2、本組成不變, 圖圖1- 1是無線通信系統(tǒng)基本組成的是無線通信系統(tǒng)基本組成的方框圖。方框圖。 圖中虛線以上部分為發(fā)送設備(發(fā)信機)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虛線以下部分為接收設備(收信機)設備(收信機), 天線及天線開關為收發(fā)共用設備。天線及天線開關為收發(fā)共用設備。 信道為自由空間。信道為自由空間。 話筒和揚聲器屬于通信的終端設備話筒和揚聲器屬于通信的終端設備, 分別為信源和信宿。分別為信源和信宿。 音頻放大器調制器激勵放大輸出功率放大載波振蕩器天線開關高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調器音頻放大器話筒本地振蕩器揚聲器變頻器 圖11 無線通信系統(tǒng)的基本組成 信源信源
3、信源信宿 超外差接收機超外差接收機的主要特點就是由頻率固定的的主要特點就是由頻率固定的中頻放大器中頻放大器來完成對接收信號的選擇和放大;當信號頻率改變時來完成對接收信號的選擇和放大;當信號頻率改變時, 只要只要相應地改變本地振蕩信號頻率即可。相應地改變本地振蕩信號頻率即可。 優(yōu)點優(yōu)點:由于中頻比載頻低的多,對選頻網絡的:由于中頻比載頻低的多,對選頻網絡的Q值要值要求低的多,容易實現(xiàn)高增益。求低的多,容易實現(xiàn)高增益。 不足不足:由于存在混頻,因而存在頻率組合干擾,且抑:由于存在混頻,因而存在頻率組合干擾,且抑制干擾比較麻煩。制干擾比較麻煩。 數字中頻結構數字中頻結構:將混頻后的中頻信號正交數字化
4、,然后:將混頻后的中頻信號正交數字化,然后進行數字解調。進行數字解調。 直接變換結構直接變換結構:采用零中頻,如圖:采用零中頻,如圖1-2所示。所示。 由上面的例子可以總結出無線通信系統(tǒng)的基本組成由上面的例子可以總結出無線通信系統(tǒng)的基本組成, 從從中也可看出中也可看出高頻電路的基本內容高頻電路的基本內容應該包括應該包括: (1)高頻振蕩器:用于產生載波或本地振蕩信號)高頻振蕩器:用于產生載波或本地振蕩信號 (2)放大器:包括小信號放大和功率放大)放大器:包括小信號放大和功率放大 (3)混頻或變頻:)混頻或變頻: (4)調制與解調:)調制與解調: (5)反饋控制電路:包括)反饋控制電路:包括AG
5、C、AFC和和APC(PLL) 二、二、無線通信系統(tǒng)的類型 按照無線通信系統(tǒng)中關鍵部分的不同按照無線通信系統(tǒng)中關鍵部分的不同特性特性, 有以下一些有以下一些類型類型: 1、按照、按照工作頻段或傳輸手段工作頻段或傳輸手段分類分類, 有中波通信、有中波通信、 短波通短波通信、信、 超短波通信、超短波通信、 微波通信和衛(wèi)星通信等。微波通信和衛(wèi)星通信等。 所謂工作頻率所謂工作頻率, 主要指發(fā)射與接收的射頻(主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻率。)頻率。 射頻實際上就是射頻實際上就是“高頻高頻”的廣義語的廣義語, 它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。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
6、就是開辟更高的頻段。無線通信的一個發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。 2、按照、按照通信方式來分類通信方式來分類, 主要有(全)雙工、主要有(全)雙工、 半雙工和半雙工和單工方式。單工方式。 3、按照、按照調制方式的不同來劃調制方式的不同來劃分分, 有調幅、有調幅、 調頻、調頻、 調相以調相以及混合調制等。及混合調制等。 4、按照傳送的消息的類型分類按照傳送的消息的類型分類, 有模擬通信和數字通有模擬通信和數字通信信, 也可以分為話音通信、圖像通信、數據通信和多媒體也可以分為話音通信、圖像通信、數據通信和多媒體通信等。通信等。 各種不同類型的通信系統(tǒng)各種不同類型的通信系統(tǒng), 其系統(tǒng)組成和設備的復雜其
7、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都是相同的, 遵從同樣的規(guī)律。遵從同樣的規(guī)律。 本書將以模擬通信為重點本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路來研究這些基本電路, 認識其規(guī)律。認識其規(guī)律。 這些電路和規(guī)律完全這些電路和規(guī)律完全可以推廣應用到其它類型的通信系統(tǒng)??梢酝茝V應用到其它類型的通信系統(tǒng)。 一、一、無線電信號的頻率及分段無線電信號的頻率及分段1、信號頻率及波譜、信號頻率及波譜 任何信號都具有一定的頻率或波長。任何信號都具有一定的頻率或波長。 我們這里所講的我們這里所講的頻率特性就是無線電信號的頻率
8、或波頻率特性就是無線電信號的頻率或波長。長。 電磁波輻射的波電磁波輻射的波譜很寬譜很寬, 如圖如圖 1 4 所示。所示。 1.2 無線電信號的頻譜及特性 無線電波105紅外線1010可見光紫外線1015X射線1020宇宙射線1025f/Hz/m3103310 2(3.87.8)10 7310 7310 12310 17 圖 1 4 電磁波波譜 從上圖可以知道,無線電波只是一種波長比較長的電從上圖可以知道,無線電波只是一種波長比較長的電磁波磁波, 占據的頻率范圍很廣。占據的頻率范圍很廣。 在自由空間中在自由空間中, 波長與頻率波長與頻率存在以下關系存在以下關系: c = f (11) 式中式中:
9、 c為光速為光速, f 和和分別為無線電波的頻率和波長分別為無線電波的頻率和波長 因此我們也因此我們也可以認為無線電波是一種頻率相對較低的可以認為無線電波是一種頻率相對較低的電磁波電磁波。2、無線電波的頻(波)段劃分、無線電波的頻(波)段劃分 無線電波也可以認為是一種頻率相對較低的電磁波。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對頻率或波長進行分段, 分別稱為頻段或波段(分別稱為頻段或波段(波段劃分波段劃分請見下表)。請見下表)。 注意:注意:不同頻段信號的產生、放不同頻段信號的產生、放大和接收的方法不同大和接收的方法不同, 傳播的能力和方式也不同傳播的能力和方式也
10、不同, 因而其應用范圍也不同。因而其應用范圍也不同。 不同頻段的信號具有不同的分析與實現(xiàn)方法不同頻段的信號具有不同的分析與實現(xiàn)方法, 對對于米波以上(含米波于米波以上(含米波, 1 m)的信號通常用集總(中)的信號通常用集總(中)參數的方法來分析與實現(xiàn)參數的方法來分析與實現(xiàn), 而對于米波以下(而對于米波以下(1 m)的)的信號一般應用分布參數的方法來分析與實現(xiàn),信號一般應用分布參數的方法來分析與實現(xiàn), 當然當然, 這也這也是相對的。是相對的。 說明:說明:“高頻高頻”是一個相對的概念,上表中的是一個相對的概念,上表中的“高頻高頻”是一個狹義的概是一個狹義的概念,指的是短波波段,其頻率范圍為念,
11、指的是短波波段,其頻率范圍為330MHz,而廣義的,而廣義的“高頻高頻”指的指的是射頻,其頻率范圍非常寬,只要是射頻,其頻率范圍非常寬,只要電路尺寸比工作波長小得多電路尺寸比工作波長小得多,可以,可以用用集中參數來分析集中參數來分析實現(xiàn),都可以實現(xiàn),都可以認為屬于認為屬于“高頻高頻”(就目前技術來講,(就目前技術來講,“高頻高頻”的上限頻率可達的上限頻率可達3GHz)二、無線電信號的特性二、無線電信號的特性 在高頻電路中在高頻電路中, 我們要處理的無線電信號主要有三種我們要處理的無線電信號主要有三種: 基帶(消息)信號基帶(消息)信號、 高頻載波信號高頻載波信號和和已調信號已調信號。 所謂基帶
12、所謂基帶信號信號, 就是沒有進行調制之前的原始信號就是沒有進行調制之前的原始信號, 也稱調制信號。也稱調制信號。 1、 時間特性 (1)、信號的描述、信號的描述:一個無線電信號:一個無線電信號, 可以將它表示為電壓可以將它表示為電壓或電流的時間函數或電流的時間函數, 通常用時域波形或數學表達式來通常用時域波形或數學表達式來描述。描述。 (2)、時間特性的概念時間特性的概念:無線電信號的時間特性就是信號:無線電信號的時間特性就是信號隨時間變化快慢的特性。隨時間變化快慢的特性。信號的時間特性要求傳輸該信號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)與之相適應。的電路的時間特性(如時間
13、常數)與之相適應。 2、頻譜特性 對于較復雜的信號(如話音信號、對于較復雜的信號(如話音信號、 圖像信號等)圖像信號等), 用用頻譜分析法表示較為方便。頻譜分析法表示較為方便。 信號的信號的頻譜特性的概念頻譜特性的概念:信號的頻譜特性就是信號中:信號的頻譜特性就是信號中各頻率成分的特性。各頻率成分的特性。信號幅度0t 圖 1 2 信號分解 對于周期性信號對于周期性信號, 可以表示為許多離散的頻率分量(各可以表示為許多離散的頻率分量(各分量間成諧頻關系)分量間成諧頻關系), 例如圖例如圖 1 3即為圖即為圖 1 2所示信號的所示信號的頻譜圖頻譜圖; 對于非周期性信號對于非周期性信號, 可以用可以
14、用傅里葉變換的方法分解傅里葉變換的方法分解為為連續(xù)譜連續(xù)譜, 信號為連續(xù)譜的積分信號為連續(xù)譜的積分。 頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分, 它們分別反它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位映信號中各個頻率分量的振幅和相位的分布情況。的分布情況。 任何信號都會占據一定的帶寬。任何信號都會占據一定的帶寬。 從頻譜特性上看從頻譜特性上看, 帶寬帶寬就是信號能量主要部分(一般為就是信號能量主要部分(一般為90%以上)所占據的頻率范以上)所占據的頻率范圍或頻帶寬度。圍或頻帶寬度。 信號振幅0F3F5F7F9FF圖 1 3 頻譜圖 3、傳播特性 傳播特性傳播特性:
15、是指無線電信號的:是指無線電信號的傳播方式、傳播距離、傳傳播方式、傳播距離、傳播特點等播特點等。 無線電信號的傳播特性主要根據其所處的頻段或無線電信號的傳播特性主要根據其所處的頻段或波段來區(qū)分。波段來區(qū)分。 電磁波從發(fā)射天線輻射出去后電磁波從發(fā)射天線輻射出去后, 不僅電波的能量會擴散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接收機只能收到其中極小的一部分, 而且在傳播過程中而且在傳播過程中, 電波電波的能量會被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射的能量會被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射, 或者或者在大氣層中產生折射或散射等現(xiàn)象在大氣層中產生折射或散射等現(xiàn)象, 從而造成到達接收
16、機時從而造成到達接收機時的強度大大衰減。的強度大大衰減。 根據無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象根據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電波的傳播方式主要有直射(視距)傳播直射(視距)傳播、 繞射(地波)傳繞射(地波)傳播播、 折射和反射(天波)傳播折射和反射(天波)傳播及及散射傳播散射傳播等等, 如圖如圖 1 5 所所示。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率。 (a)射線(b)(c)電離層(d)對流層 圖1 5 無線電波的主要傳播方式(a) 直射傳播; (b) 地波傳播; (c) 天波傳播; (d) 散射傳播
17、(距地面60600km)(距地面1012km)(散射傳播距離100500km)(適合頻率4006000MHz)(一次反射距離約為4000km)(適合于中短波)(適合于中長波)(適合于超短波、微波)4. 調制特性 無線電傳播一般都要采用高頻(射頻)的另一個原因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。就是高頻適于天線輻射和無線傳播。只有當天線的尺寸到只有當天線的尺寸到可以與信號波長相比擬時可以與信號波長相比擬時, 天線的輻射效率才會較高天線的輻射效率才會較高, 從而從而以較小的信號功率傳播較遠的距離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天線
18、也才能有效地接收信號。接收信號。 所謂調制所謂調制, 就是用調制信號去控制高頻載波的參數就是用調制信號去控制高頻載波的參數, 使使載波信號的某一個或幾個參數(載波信號的某一個或幾個參數(振幅、振幅、 頻率或相位)按照頻率或相位)按照調制信號的規(guī)律變化。調制信號的規(guī)律變化。 根據載波受調制參數的不同根據載波受調制參數的不同, 調制分為三種基本方式調制分為三種基本方式, 它們是它們是振幅調制(調幅)、振幅調制(調幅)、 頻率調制(頻率調制(調頻)、調頻)、 相位調制相位調制(調相)(調相), 分別用分別用AM、 FM、 PM表示,表示, 還可以有組合調還可以有組合調制方式。制方式。 1.3 本課程
19、的特點 高頻電子線路是通信系統(tǒng)的核心,高頻電子線路是通信系統(tǒng)的核心,高頻電子線路高頻電子線路這門課程是通信工程、電子信息工程等電子信息類專業(yè)這門課程是通信工程、電子信息工程等電子信息類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎課程,因此掌握高頻電子線路非常重要的一門專業(yè)基礎課程,因此掌握高頻電子線路及其課程特點對于學習該課程是十分重要的。及其課程特點對于學習該課程是十分重要的。 1 1、高頻電子線路的特點高頻電子線路的特點 (1) 高頻電子線路是由線性元件(電阻、電容、電感等)高頻電子線路是由線性元件(電阻、電容、電感等)和非線性器件和非線性器件(二極管、三極管、場效應管等二極管、三極管、場效應管等)組成,其中非組成,其中非線性是高頻電子線路的核心。線性是高頻電子線路的核心。 (2) 非線性電路分析方法的特點。非線性電路分析方法的特點。2 2、本課程的主要內容、本課程的主要內容 高頻振蕩器、高頻放
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