高頻電子線路概述

關(guān)于高頻電子線路概述第1頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月信息技術(shù)概括起來包括兩類：信息處理技術(shù)與信息傳輸技術(shù)。

信息是一個(gè)抽象的概念。信息的具體形式有：語言、文字、

符號(hào)、音樂、圖形、圖像和數(shù)據(jù)。將表示聲音和圖像等的物理信號(hào)，經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為我們處理的對(duì)象。人們從這些信號(hào)中獲取信息。

通信的任務(wù)是傳遞信息，即將經(jīng)過處理的信息從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方。對(duì)于信息傳輸最主要的要求就是傳輸?shù)目煽啃院陀行?。信息處理的目的就是為了更有效、更可靠地傳遞信息。1.1信息技術(shù)第2頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月傳遞信息可以通過有線方式，也可以通過無線方式。

通信作為無線電技術(shù)最早的應(yīng)用，其系統(tǒng)組成和工作過程，很典型地反映了無線電技術(shù)的基本問題。通信技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化也充分反映了無線電技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化。本書將以無線通信系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，著重討論無線電設(shè)備中的

高頻放大器和高頻功率放大器、振蕩器及頻率變換等電子線路的基本原理和應(yīng)用。第3頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月一切能完成信息傳輸任務(wù)的系統(tǒng)都可以稱為通信系統(tǒng)。高頻電路是通信系統(tǒng)，特別是無

線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是無線通信設(shè)備的重要組成部分。

通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是從一個(gè)地方向另一個(gè)地方傳送信息。因此，電子通信可以被總結(jié)

為在兩個(gè)或多個(gè)位置使用電子線路傳輸、接收和處理信息。始發(fā)的源信息可以是模擬(連續(xù))

形式的，如人類的語言或音樂，也可以是數(shù)字(離散)形式的，如二進(jìn)制編碼的數(shù)字或字母數(shù)字

代碼。各種形式的信息在通過通信系統(tǒng)傳播之前，必須對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.2通信系統(tǒng)第4頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月電子通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了百年，其基本概念和原理變化不大，但其實(shí)現(xiàn)技術(shù)和電路經(jīng)歷了重大的變化。近年來，晶體管和線性集成電路簡(jiǎn)化了電子通信電路的設(shè)計(jì)，使其更加

小型化，并改善了性能和可靠性，降低了總成本。越來越多的人需要相互通信，這一巨大的需求刺激著電子通信工業(yè)快速發(fā)展?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)包括電纜通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和無線電通信系統(tǒng)以及光纖通信系統(tǒng)。第5頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1無線通信系統(tǒng)的組成

了解通信系統(tǒng)的構(gòu)成，有利于掌握通信系統(tǒng)的基本原理及通信電子線路的組成原理。通信系統(tǒng)的核心部分是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。不同的通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備組成不完全相同，但其基本結(jié)構(gòu)有相似之處。通信系統(tǒng)通常分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)，我們常見的無線通信系統(tǒng)有廣播通信系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)等。一個(gè)完整的通信系統(tǒng)基本組成框圖如圖1.1所示。第6頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.1通信系統(tǒng)基本組成框圖第7頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖與通信系統(tǒng)基本相同，包括發(fā)射系統(tǒng)(信源、輸入變換器、發(fā)送設(shè)備)、接收系統(tǒng)(接收設(shè)備、輸出變換器、接收信息)、信道、干擾源等。第8頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2發(fā)射系統(tǒng)

信源是指需要傳送的原始非電物理量信息源，如語言、音樂、圖像、文字等。信源經(jīng)輸入變換器后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

輸入變換器的主要任務(wù)是將要傳遞的語言、音樂、圖像、文字等信息變換為電信號(hào)，該電信號(hào)包含了原始消息的全部信息(允許存在一定的誤差，或者說信息損失)。這類信號(hào)

的頻率一般比較低，稱為“基帶信號(hào)”。輸入變換器輸出的基帶信號(hào)作為通信系統(tǒng)的信號(hào)源?；鶐盘?hào)不一定適合在信道上直接傳輸，可將其送入發(fā)送設(shè)備，變換成適合信道傳輸?shù)男盘?hào)后再送入信道。第9頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

發(fā)送設(shè)備主要有兩大任務(wù)：調(diào)制與放大。

調(diào)制就是將基帶信號(hào)變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號(hào)。在連續(xù)波調(diào)制中，是指用原始電信號(hào)(調(diào)制信號(hào))去控制高頻振蕩信號(hào)(載波信號(hào))的某一參數(shù)，使之隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化。經(jīng)過調(diào)制的高頻信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。無線通信發(fā)送設(shè)備的任務(wù)就是將基帶信號(hào)變換成適合在空間信道傳輸?shù)母哳l信號(hào)。圖1.2所示為無線通信發(fā)送設(shè)備組成框圖。第10頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.2無線通信發(fā)送設(shè)備第11頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)送設(shè)備的另一個(gè)任務(wù)是放大，即對(duì)已調(diào)波信號(hào)的電壓和功率進(jìn)行放大、濾波等處理，使已調(diào)波信號(hào)具有足夠大的功率以便送入信道。

在無線通信中，天線的作用是很重要的，它將已調(diào)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波送入信道。由天線理論可知，要將無線電信號(hào)有效地發(fā)射出去，天線的長(zhǎng)度必須和電信號(hào)的波長(zhǎng)為同一數(shù)

量級(jí)。例如，音頻信號(hào)的頻率一般在20kHz以下，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為15km以上，直接傳輸時(shí)需要的天線約4km，但使用如此巨大的天線是不可能的。第12頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月此外，即使這樣的天線制造出來，由于各個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)射

的均為同一頻段的低頻信號(hào)，各信號(hào)在信道中會(huì)互相重疊、干擾，導(dǎo)致接收設(shè)備無法選擇出所要接收的信號(hào)。因此，為了有效地進(jìn)行傳輸，必須采用幾百千赫以上的高頻信號(hào)作為載體，將低頻的基帶信號(hào)“裝載”到高頻信號(hào)上(調(diào)制)，然后經(jīng)天線發(fā)射出去。采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻信號(hào)，所需天線尺寸大大下降。同時(shí)，不同的發(fā)射臺(tái)可以采用不同頻率的載波信號(hào)，這樣各種信號(hào)在頻譜上就可以互相區(qū)分開了。第13頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3接收系統(tǒng)

接收設(shè)備主要有三大任務(wù)：選頻、放大、解調(diào)。

接收設(shè)備將信道傳送過來的已調(diào)信號(hào)從眾多信號(hào)和噪聲中選取出來，并對(duì)其進(jìn)行處理，以恢復(fù)出與發(fā)送端一致的基帶信號(hào)。圖1.3所示是通信系統(tǒng)中調(diào)幅式無線電接收設(shè)備的組成框圖。第14頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.3無線通信接收設(shè)備第15頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月接收設(shè)備的第一級(jí)是高頻放大器。發(fā)送設(shè)備發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播會(huì)受到很大的衰減，能量損失較大，同時(shí)，信號(hào)還受到傳輸過程中來自各方面的干擾和噪聲。當(dāng)達(dá)到接收設(shè)備時(shí)，信號(hào)是很微弱的，需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大。并且，高頻放大器的窄帶特性可以同時(shí)濾除一部分帶外的噪聲和干擾。高頻放大器的輸出是載頻為fs的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)過混頻器與本地振蕩器提供的頻率為fL的信號(hào)混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)中頻放大器放大，送到解調(diào)器，恢復(fù)原基帶信號(hào)，再經(jīng)低頻放大器放大后輸出。第16頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4信道

信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，也就是傳輸媒介，不同的信道有不同的傳輸特性。信道包括有線信道和無線信道。有線信道有架空明線、同軸電纜、波導(dǎo)管和光纜等，無線信道主要有大氣層、海水或外層空間等。無線電波在空間傳播的性能與大氣結(jié)構(gòu)、高空電離層結(jié)構(gòu)、大地的衰減以及無線電波的頻率、傳播路徑等因素密切相關(guān)，因此，不同頻段無線電波的傳播路徑及其受上述各種因素的影響程度也不同。

第17頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月在無線模擬通信系統(tǒng)中，傳輸媒介是自由空間。根據(jù)電磁波的波長(zhǎng)或頻率范圍，電磁波在自由空間的傳播有多種方式，各種傳播方式下信號(hào)傳輸?shù)挠行院涂煽啃圆煌?，由此使得通信系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作機(jī)理也有很大的不同。第18頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月無線電波在空間的傳播速率與光速相同，約為3×108m/s。無線電波的波長(zhǎng)、頻率和傳播速率的關(guān)系為

(1-1)

式中，λ是波長(zhǎng)，c是傳播速率，f

是頻率。由于電波的傳播速率固定不變，所以信號(hào)頻率越高，波長(zhǎng)越短。

第19頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月無線通信系統(tǒng)使用的頻率范圍很寬闊，從幾十千赫茲到幾十吉赫茲。不同頻率范圍的無線電波傳播規(guī)律不同，應(yīng)用范圍也不同。習(xí)慣上將電磁波的頻率范圍劃分為若干個(gè)區(qū)段，稱做頻段或波段。

電磁波在空間的傳播途徑有三種。

第一種是沿地面?zhèn)鞑ィQ為地波，如圖1.4(a)所示。例如，長(zhǎng)波和中波通信的頻率在1.5MHz以下，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，地面

的吸收損耗較少，信號(hào)可以沿地面遠(yuǎn)距離傳播。

第二種是依靠電離層的反射傳播，稱為天波，如圖1.4(b)所示。第20頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波到達(dá)電離層后，一部分被吸收，一部分被反射和折射到地面。頻率越高，被吸收和反射的能量越少，電磁波穿入電離層也越深，但當(dāng)頻率超過一定值后，電磁波就會(huì)

穿過電離層而不再返回地面了。例如，對(duì)于頻率范圍為1.5～30MHz的信號(hào)，波長(zhǎng)較短，地面繞射能力弱，且地面吸收損耗較大，但能被電離層反射到遠(yuǎn)處，故可采用天波通信方式。

第21頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月第三種是在空間直線傳播，稱為直線波或者空間波，如

圖1.4(c)所示。對(duì)于頻率在30MHz以上的超短波，由于其波長(zhǎng)較小，不能繞過地面障礙物，并且地面吸收損耗很大，因而不能用地波方式傳播，而且超短波能穿透電離層，因而也不能以天波方式傳播，它只能在空間以直線方式傳播。因?yàn)榈厍虮砻媸乔蛐蔚模灾本€波的傳播距離有限，并與發(fā)射和接收天線的高度有關(guān)。移動(dòng)通信、電視和調(diào)頻廣播等均采用直線波傳播方式。第22頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.4無線電波的傳播方式(a)地波；(b)天波；(c)直線波第23頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.5無線通信系統(tǒng)的類型

通信系統(tǒng)的種類很多。按照所用信道的不同，可以分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)；按照業(yè)務(wù)(即所傳輸?shù)男畔⒎N類)的不同，可以分為電話、電報(bào)、傳真和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等；按照通信系統(tǒng)中信道傳輸?shù)幕鶐盘?hào)不同，可以分為

模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。第24頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月無線通信系統(tǒng)也有不同的劃分方法。

(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。其中工作頻段主要指發(fā)射與接收的射頻(RF)頻段。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。

(2)按照通信方式分類，主要有(全)雙工通信、半雙工通信和單工通信。

單工通信系統(tǒng)有時(shí)稱為單向的、只接收或只發(fā)送的系統(tǒng)。

商業(yè)電臺(tái)或電視廣播是單工通信的一個(gè)例子，電臺(tái)總是發(fā)射端，而用戶總是接收端。第25頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月半雙工通信中，信號(hào)的傳輸可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行，但不是同時(shí)的。使用按講(PTT)開關(guān)控制發(fā)射機(jī)的雙向無線電系統(tǒng)是半雙工通信的例子。

全雙工通信中，信號(hào)的傳輸可以同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)的電話系統(tǒng)就是全雙工傳輸?shù)睦印?/p>

(3)按照調(diào)制方式的不同來劃分，有調(diào)幅(AM)通信、調(diào)頻(FM)通信、調(diào)相(PM)通信以及混合調(diào)制通信等。第26頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)幅是指載波信號(hào)的幅度隨基帶信號(hào)變化；

調(diào)頻是指載波信號(hào)的頻率隨基帶信號(hào)變化；

調(diào)相是指載波信號(hào)的相位隨基帶信號(hào)變化。

(4)按照傳送消息的類型分類，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)中。第27頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月在高頻電路中，我們要處理的無線電信號(hào)主要有三種：基帶(消息)信號(hào)、高頻載波信號(hào)和已調(diào)信號(hào)。所謂基帶信號(hào)，就是沒有進(jìn)行調(diào)制的原始信號(hào)，也稱調(diào)制信號(hào)。高頻載波信號(hào)主要指用于調(diào)制的高頻振蕩(載波)信號(hào)和用于解調(diào)的本地振蕩信號(hào)(或稱恢復(fù)載波)，一般為單一頻率的正弦(或余弦)信號(hào)或脈沖信號(hào)。已調(diào)信號(hào)是調(diào)制信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以后所得到的信號(hào)?；鶐盘?hào)通常為低頻信號(hào)，后兩者為高頻信號(hào)。

無線電信號(hào)有多方面的特性，主要包括時(shí)間(域)特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性、傳輸特性等。1.3信號(hào)第28頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1信號(hào)的分類

1.確定信號(hào)與隨機(jī)信號(hào)

確定信號(hào)可用一確定的時(shí)間函數(shù)來表示，對(duì)于指定的某一時(shí)刻，可以確定一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)值。例如，正弦信號(hào)就是確定信號(hào)。實(shí)際傳輸中的信號(hào)往往是不確定的，這種信號(hào)稱為隨機(jī)信號(hào)。隨機(jī)信號(hào)不能用確定的時(shí)間函數(shù)來表示，當(dāng)給定某一時(shí)間值時(shí)，信號(hào)的函數(shù)值并不確定，只能研究它取某一數(shù)值的概率。本書將只研究確定信號(hào)。第29頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.周期信號(hào)與非周期信號(hào)

周期信號(hào)按一定的時(shí)間間隔重復(fù)出現(xiàn)，其函數(shù)表達(dá)式為

f(t)=f(t+nT)n=0，±1，±2，…

(1-2)

滿足這個(gè)表達(dá)式的最小T值稱為信號(hào)的周期。若令T趨于無限大，則周期信號(hào)就成為非周期信號(hào)。

3.連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)

如果在某一時(shí)間間隔內(nèi)，除了若干不連續(xù)點(diǎn)之外，信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式對(duì)一切時(shí)間值都給出確定的函數(shù)值，這種信號(hào)稱為連續(xù)信號(hào)。圖1.5(a)所示的正弦波信號(hào)就是連續(xù)信號(hào)。時(shí)間和幅值都連續(xù)的信號(hào)又稱為模擬信號(hào)。第30頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月如果信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式中，只在某些不連續(xù)的時(shí)間值上有給定函數(shù)值，則這種信號(hào)稱為離散信號(hào)。圖1.5(b)所示即為離散信號(hào)。時(shí)間變量取離散值時(shí)，稱這種信號(hào)為離散時(shí)間信號(hào)。第31頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.5連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)(a)連續(xù)信號(hào)；(b)離散信號(hào)第32頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月如果離散時(shí)間信號(hào)的幅值是連續(xù)的，可稱其為抽樣信號(hào)。若離散信號(hào)的幅值也被限定為某些離散值，即時(shí)間與幅值都具有離散性，則稱其為數(shù)字信號(hào)。

4.能量信號(hào)與功率信號(hào)

在一定的時(shí)間間隔里，將信號(hào)加在負(fù)載上，負(fù)載中就消耗一定的信號(hào)能量。將這個(gè)能量值對(duì)于時(shí)間間隔取平均值，即得在此時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)平均功率。若時(shí)間間隔趨于無限大，則有兩種情況：信號(hào)總能量為有限值，信號(hào)平均功率為零，這種信號(hào)稱為能量信號(hào)；或者信號(hào)平均功

率為有限值，信號(hào)能量為無限大，這種信號(hào)稱為功率信號(hào)。周期信號(hào)都是功率信號(hào)；只存在于有限時(shí)間內(nèi)的非周期信號(hào)是能量信號(hào)；存在于無限時(shí)間內(nèi)的非周期信號(hào)可以是能量信號(hào)，也可以是功率信號(hào)。第33頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.噪聲

在信號(hào)處理過程中會(huì)遇到各種無用的干擾信號(hào)。信號(hào)處理過程所引入的有害的干擾統(tǒng)稱為噪聲。噪聲根據(jù)來源不同可分為：

(1)人為噪聲，

亦稱可消除噪聲，如電器設(shè)備火花所產(chǎn)生的高頻脈沖、電源因?yàn)V波器不良而產(chǎn)生的交流噪聲，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)不完善所引起的振蕩等。這些噪聲都是隨機(jī)出現(xiàn)的，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以消除。

(2)無規(guī)則的自然噪聲，是由大氣中的閃電、銀河系的輻射、太陽黑子活動(dòng)等所引起的噪聲，這種噪聲隨頻率上升而漸弱。第34頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)起伏噪聲，

這是由系統(tǒng)內(nèi)部的有源器件和實(shí)體電阻所產(chǎn)生的，如電阻或?qū)w中的電子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲、半導(dǎo)體器件中載流子的擴(kuò)散復(fù)合產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲等。這種噪聲在各種物理系統(tǒng)中都存在。起伏噪聲的存在，使由電阻、導(dǎo)線、電子器件所構(gòu)成的設(shè)備測(cè)量微弱信號(hào)的能力大大下降。就接收設(shè)備而言，噪聲限制了它接收微弱信號(hào)的能力。

噪聲根據(jù)其特性可分為四類：熱噪聲、互調(diào)噪聲、串話噪聲和脈沖噪聲。第35頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)熱噪聲是由電子在導(dǎo)體中的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它存在于所有電子器件和傳輸信道中。熱噪聲是溫度的函數(shù)，溫度越高，熱噪聲能量越大。熱噪聲的幅度服從正態(tài)分布，其功率譜密度為常數(shù)，即其具有均勻頻譜，故熱噪聲也稱為白噪聲。熱噪聲所產(chǎn)生的干擾是不可能被消除的。

(2)互調(diào)噪聲的表現(xiàn)是，當(dāng)不同頻率的信號(hào)共用同一傳輸系統(tǒng)時(shí)，可以產(chǎn)生這些頻率之間或這些頻率的整倍數(shù)之間的和頻或差頻分量，它們的出現(xiàn)將干擾原頻率處的信號(hào)?；フ{(diào)噪聲是由通信系統(tǒng)中的非線性產(chǎn)生的。第36頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

(3)串話噪聲的表現(xiàn)是當(dāng)使用電話時(shí)，除通信方外，還可以聽到其他通話的聲音。串話是由線路間的耦合產(chǎn)生的。一般情況下，它與熱噪聲的幅度相當(dāng)。

(4)脈沖噪聲是一種不連續(xù)的、持續(xù)時(shí)間比較短而幅度較大的干擾信號(hào)。脈沖噪聲多是來自傳輸系統(tǒng)外部的干擾，如工業(yè)干擾、天電干擾等。脈沖噪聲對(duì)模擬信號(hào)的影響不嚴(yán)重，可表現(xiàn)為聲音傳輸中的“喀拉”聲，但其對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)的影響比較嚴(yán)重，會(huì)造成誤碼，特別是連續(xù)產(chǎn)生誤碼，從而破壞了傳輸數(shù)據(jù)的正確性。第37頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2信號(hào)的時(shí)間特性和頻譜特性

1.時(shí)間特性

確定信號(hào)可以用包含信號(hào)全部信息量的時(shí)間函數(shù)表示。因此，信號(hào)的特性首先表現(xiàn)為它的時(shí)間特性。信號(hào)的時(shí)間特性是指信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。這種變化有兩重意義：

一個(gè)意義是同一形狀的波形重復(fù)出現(xiàn)的周期長(zhǎng)短；另一個(gè)意義是信號(hào)波形本身變化的速率。

時(shí)間函數(shù)可以用時(shí)間域方法來進(jìn)行分析，最主要的時(shí)間域分析方法是卷積。第38頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.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。為了分析信號(hào)的頻率特性，可采用傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉變換等變換域方法。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1.6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，其影響就越小。第39頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月周期性信號(hào)可以表示為許多離散的頻率分量，如圖1.7即為圖1.6所示信號(hào)的頻譜圖，水平軸表示頻率，垂直軸表示幅度。對(duì)于非周期性信號(hào)，可以用傅里葉變換的方法將其分解為連續(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分布情況。從頻譜特性上看，各個(gè)正弦分量的振幅和相位分別按頻率高低排列，此頻譜圖即包含了信號(hào)的全部信息量。從理論上說，

復(fù)雜信號(hào)的頻譜可以擴(kuò)展至無限，但實(shí)際上，由于原始信號(hào)的能量一般都集中在頻率較低的范圍內(nèi)，高于某一頻率的分量可以忽略不計(jì)，因此每一信號(hào)的頻譜都有一個(gè)有效的頻率范圍，稱為信號(hào)的頻帶。第40頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.6信號(hào)分解第41頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.7信號(hào)頻譜第42頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.信號(hào)傳輸頻率(頻率特性)

無線電波段可以按頻率劃分，也可以按波長(zhǎng)劃分。表1-1列出按波長(zhǎng)劃分的波段名稱、相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍及相應(yīng)的頻段名稱。不過，波段的劃分是粗略的，各波段之間并沒有明顯的分界線，所以各波段的銜接處，無線電波的特性也無明顯差異。第43頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月表1-1波段的劃分第44頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月在實(shí)際的通信應(yīng)用中，各波有不同的用途：

極低頻(ExtremelyLowFrequencies,ELF)：多用于低頻遙測(cè)信號(hào)。

話音頻率(VoiceFrequencies，VF)：

包含與人類語音相關(guān)的頻率，多用于標(biāo)準(zhǔn)電話信道，通稱話音頻率或話音頻帶信道。

甚低頻(VeryLowFrequencies，VLF)：包括人類聽覺范圍的高端，多用于某些特殊的政府或軍事系統(tǒng)，比如潛艇通信。

低頻(LowFrequencies，LF)：主要用于船舶和航空導(dǎo)航。第45頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月中頻(MediumFrequencies，MF)：主要用于商業(yè)AM無線電廣播(535～1605kHz)。

高頻(HighFrequencies，HF)：常稱為短波

(ShortWave)。大多數(shù)雙向無線電通信使用這個(gè)頻段，業(yè)余無線電和民用波段(CB)無線電也使用HF范圍內(nèi)的信號(hào)。

甚高頻(VeryHighFrequencies，VHF)：

常用于移動(dòng)通信、船舶和航空通信、商業(yè)FM廣播(88～108MHz)及部分商業(yè)電視廣播(54～216MHz)。第46頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月特高頻(UltrahighFrequencies，UHF)：由商業(yè)電視廣播的頻道、陸地移動(dòng)通信業(yè)務(wù)、蜂窩電話、某些雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)、微波及衛(wèi)星無線電系統(tǒng)所使用。一般說來，1GHz以上的頻率被認(rèn)為是微波頻率，它包含UHF范圍的高端。

超高頻(SuperhighFrequencies，SHF)：主要用于微波及衛(wèi)星無線電通信系統(tǒng)。

極高頻(ExtremelyHighFrequencies，EHF)：除了十分復(fù)雜、昂貴及特殊的應(yīng)用外，很少用于無線電通信。第47頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月紅外光(Infrared)：0.3～300THz范圍內(nèi)的信號(hào)，通常不認(rèn)為是無線電波。紅外光歸入電磁輻射，通常與熱有關(guān)系?？梢姽?VisibleLight)：包括落入人類可見范圍(0.3～3PHz)內(nèi)的電磁頻

率，可用于光波通信。光波通信常與光纖系統(tǒng)一起使用，近年來它已成為電子通信系統(tǒng)的一種主要傳輸介質(zhì)。

紫外光、X射線、伽馬射線及宇宙射線極少應(yīng)用于電子通信，在此不再贅述。

全部電磁頻譜顯示了各種業(yè)務(wù)的大概頻段，如圖1.8所示。第48頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.8電磁頻譜第49頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)涉及無線電波時(shí)，通常使用波長(zhǎng)而不是頻率為單位。波長(zhǎng)是電磁波的一個(gè)周期在空間占用的長(zhǎng)度(即在一個(gè)重復(fù)的波形中類似點(diǎn)之間的距離)。波長(zhǎng)與波的頻率成反比，且直接

與波傳播的速度(電磁能量在自由空間中的傳播速度被認(rèn)為是光速，即3×108m/s)成正比。

頻率、速度及波長(zhǎng)之間的關(guān)系：

波長(zhǎng)=

即

λ=第50頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月其中,λ為波長(zhǎng)(m)；

c為光速(300000000m/s)；

f為頻率(Hz)。

例1

確定下列頻率的波長(zhǎng)：1kHz，100kHz和10MHz。

第51頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月解代入公式得

總的電磁波長(zhǎng)譜中標(biāo)明了各波段內(nèi)的各種業(yè)務(wù)，如圖1.9所示。第52頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.9電磁波長(zhǎng)譜第53頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3信號(hào)的傳輸特性

在通信設(shè)備中，屬于線性系統(tǒng)的電路有線性放大器、濾波器、均衡器、相加(減)器、微分(積分)電路以及工作于線性狀態(tài)下的反饋控制電路等。屬于非線性系統(tǒng)的電路有諧振

功率放大器、倍頻器、振蕩器、相乘器及各種調(diào)制解調(diào)器等。

信號(hào)通過不同的系統(tǒng)，其特性是不一樣的。第54頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.信號(hào)通過線性系統(tǒng)

信號(hào)通過線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的特性可以用單位沖激響應(yīng)h(t)表示，其系統(tǒng)框圖示于圖1.10。第55頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.10線性系統(tǒng)特性第56頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月利用單位沖激響應(yīng)h(t)可以分析信號(hào)通過線性系統(tǒng)的時(shí)域特性，系統(tǒng)輸出和輸入間的關(guān)系可以用卷積積分式表示：

(1-3)

式中，ui(t)是系統(tǒng)的輸入信號(hào)，uo(t)是系統(tǒng)的輸出信號(hào)。信號(hào)通過線性系統(tǒng)時(shí)，輸出信號(hào)uo(t)的波形與輸入信號(hào)ui(t)的波形僅在幅度和延時(shí)上略有不同，輸出與輸入信號(hào)波形基本不變，通常稱這是信號(hào)的理想傳輸或無失真?zhèn)鬏?。?7頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)信號(hào)通過非理想線性系統(tǒng)時(shí)，輸出信號(hào)的頻率特性或者幅頻特性不是常數(shù)，或者相頻特性不是頻率的線性函數(shù)；輸出信號(hào)波形與輸入信號(hào)波形相比，產(chǎn)生了失真。這是由于信號(hào)通過線性系統(tǒng)時(shí)，改變了輸入信號(hào)各頻率分量之間的相對(duì)關(guān)系，它只會(huì)表現(xiàn)為信號(hào)波形畸變，而不會(huì)增加新的頻率分量，稱這種失真為線性失真。第58頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.信號(hào)通過非線性系統(tǒng)

信號(hào)通過非線性系統(tǒng)后，非線性系統(tǒng)的輸出信號(hào)中將產(chǎn)生新的頻率分量，這是非線性系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)。

若系統(tǒng)具有如下非線性特性：

uo=A0+A1ui(t)+A2u2i(t)

(1-4)令輸入信號(hào)ui(t)為

ui(t)=Umcosωt

(1-5)第59頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月將式(1-5)代入式(1-4)中，可得輸出信號(hào)

(1-6)

從式(1-6)可以看出，信號(hào)通過非線性系統(tǒng)后，其輸出中含有輸入信號(hào)中原有的頻率分量，但同時(shí)出現(xiàn)了輸入信號(hào)中沒有的頻率分量(2ω)。第60頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月可以看出，信號(hào)通過非線性系統(tǒng)與通過線性系統(tǒng)的基本區(qū)別在于：信號(hào)通過非線性系統(tǒng)后，不僅輸出信號(hào)中與輸入信號(hào)同頻率諸分量的幅度、相位有變化，而且出現(xiàn)了輸入信號(hào)中沒有的新的頻率成分。這些頻率成分是諸輸入信號(hào)頻率的各次倍頻和它們之間的組合頻率。在有些情況下，也可能在輸出信號(hào)中不再出現(xiàn)某些輸入信號(hào)的頻率成分。

信號(hào)通過非線性系統(tǒng)能夠產(chǎn)生某些新的頻率成分，這一特點(diǎn)在通信電路中獲得廣泛的應(yīng)用，如倍頻、混頻、調(diào)制和解調(diào)等。第61頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4混合信號(hào)的傳輸特性

混合是組合兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)的過程，是電子通信中的一個(gè)基本過程。大體上有兩種辦法組合成混合信號(hào)：線性的和非線性的。

1.線性相加

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)在一個(gè)線性器件(如無源網(wǎng)絡(luò)或小信號(hào)放大器)中組合時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的線性相加，信號(hào)以這種方式組合沒有新的頻率產(chǎn)生，組合的波形只是各個(gè)信號(hào)的線性相加。在錄音領(lǐng)域中，線性相加有時(shí)稱為線性混音，但是在無線電通信領(lǐng)域中，混頻幾乎總是指非線性過程。

第62頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.11(a)顯示了兩個(gè)輸入頻率在一個(gè)小信號(hào)放大器中的組合。每個(gè)輸入信號(hào)由增益(A)放大，因此輸出為

uout=Auin

其中

uin=Uasin2πfat+Ubsin2πfbt(1-7)因此

uout=A(Uasin2πfat+Ubsin2πfbt)

(1-8)第63頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月或

uout=AUasin2πfat+AUbsin2πfbt(1-9)

uout是包含兩個(gè)輸入頻率的一個(gè)復(fù)雜波形且等于ua和ub的代數(shù)和。圖1.11(b)顯示了ua和ub在時(shí)域中的線性相加，而圖1.11(c)顯示了其在頻域中的線性相加。如果另一些輸入頻率加到該電路上，它們同樣與ua和ub線性相加。在高保真音頻系統(tǒng)中，輸出譜只包含原始的輸入頻率，因此要進(jìn)行線性運(yùn)算。但是在無線電通信中，調(diào)制經(jīng)常需要進(jìn)行非線性混頻。第64頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.11線性混合(a)線性放大；(b)時(shí)域；(c)頻域第65頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.非線性混頻

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)在一個(gè)非線性器件(如一個(gè)二極管或大信號(hào)放大器)中組合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性混頻。非線性混頻時(shí)，輸入信號(hào)以非線性方式組合并產(chǎn)生額外的頻率分量。下面分析單頻率輸入信號(hào)通過非線性放大器的特性。

圖1.12(a)顯示了一個(gè)單頻率輸入信號(hào)由一個(gè)非線性放大器放大。輸入單頻率信號(hào)時(shí)，非線性放大器的輸出不是一個(gè)單一的正弦或余弦波。數(shù)學(xué)上，該輸出是無窮冪級(jí)數(shù)：

(1-10)第66頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月其中，

因此，

(1-11)其中，Auin為線性項(xiàng)或由增益(A)放大的輸出信號(hào)(fa)；為產(chǎn)生二次諧波頻率(2fa)的平方項(xiàng)；為產(chǎn)生三次諧波頻率(3fa)的立方項(xiàng)，等等。第67頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生一個(gè)頻率等于nf的信號(hào)。例如，產(chǎn)生一個(gè)頻率等于2fa的信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)頻率等于3fa

的信號(hào)，等等。原始輸入頻率(fa)是一次諧波(或基頻)，2fa

是二次諧波，3fa是三次諧波，以此類推。圖1.12(b)顯示了非線性放大器在單頻輸入時(shí)時(shí)域中的輸出波形。

圖1.12(c)顯示了頻域中的輸出頻譜，注意到相鄰的諧波在頻域上相隔一個(gè)基頻(fa)。第68頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月圖1.12單輸入頻率的非線性放大(a)非線性放大；(b)時(shí)域；(c)頻域第69頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月單頻信號(hào)的非線性放大產(chǎn)生該頻率的倍頻(或諧波)。如果該諧波是不需要的，則產(chǎn)生了諧波失真。如果該諧波是需要的，則被稱為頻率倍增。第70頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月通信系統(tǒng)性能的兩個(gè)最重要的限制是噪聲和帶寬。信號(hào)的帶寬就是該信號(hào)中包含的最高和最低頻率之差，通信信道的帶寬就是該信道允許通過的最高頻率和最低頻率之差(即它的通帶)。通信信道的帶寬必須足夠大(寬)，以通過所有重要的信號(hào)頻率。換句話說，通信信道的帶寬必須等于或大于信號(hào)的帶寬。例如，話音頻率包含300~3000Hz之間的信號(hào)，因此，一個(gè)話音頻率信道必須有等于或大于2700Hz(3000-300Hz)的帶寬。如果有線電視傳輸系統(tǒng)的通帶為500~5000kHz，則其帶寬為4500kHz。作為通用規(guī)則，一個(gè)通信系統(tǒng)不能傳播頻率變化范圍大于信道帶寬的信號(hào)。1.4帶寬和信息容量第71頁，課件共79頁，創(chuàng)作于2023年2月信息論(InformationTheory)是研究有效利用帶寬，通過電子通信系統(tǒng)傳輸信息的理論。

信息論可用來確定通信系統(tǒng)的信息容量(InformationCapacity)。信息容量是對(duì)給定時(shí)間內(nèi)通過一個(gè)通信系統(tǒng)可以傳輸多少信息的一種度量。通過一個(gè)傳輸系統(tǒng)可以傳輸?shù)男畔⒘渴窍到y(tǒng)帶寬和傳輸時(shí)間的函數(shù)。1920年貝爾實(shí)驗(yàn)室的哈特萊(R.Hartlev)導(dǎo)出了帶寬、傳輸時(shí)間和信息容量之間的關(guān)系。哈特萊定律簡(jiǎn)單地說明：帶寬愈寬，傳輸時(shí)間愈長(zhǎng)，

能夠通過該系統(tǒng)傳送的信息就愈多。數(shù)學(xué)上，哈特萊定律表達(dá)為

I∝B×t