12 绪论.docx
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12绪论
1.1概述
Ø课程名称
通信电子线路、高频电路、射频电路以及非线性电子线路等等。
关键词:
电路;修饰词:
高频or射频
Ø高频、射频的概念
“高频”指的是适合于无线传输和无线发射的无线电频率。
无线系统中常用的术语“射频(RF)”,实际上就是高频的广义语。
指的都是适合于无线发射和传播的无线电频率。
Ø什么是高频(射频)的上、下限?
射频(RadioFrequency)广义地来说,没有严格的定义。
本课程所研究的是f<30MHz的电信号;
f在30MHz~4G之间就是下学期我们将要学习的射频微波电路。
Note:
不同的电信号在电路中表现出的特性不同,分析方法也有所不同。
“路”的分析方法采用克希霍夫定理,
“场”的分析方法采用麦克斯韦方程。
当电路尺寸小于
,就可以用“路”的概念来分析电路。
反之,则需采用“场”的分析方法,将在《电磁波与电磁场》这门课程中学习。
什么叫高频电路呢?
高频电路是指产生、处理适合于无线传输和无线发射电信号的电路。
高频电路是通信系统,特别是无线通信系统的基础,是无线通信设备的重要组成部分。
Ø课程相关概念
“无线发射”的(物理)含义
“无线发射”指的是把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播。
高频电流在天线周围激发同频率的交变磁场,交变磁场又激发起交变电场,交变电场又激发交变磁场,如此反复交叉激发,使电磁能以波的形式传向远方,这就是无线电波,也可称为无线电信号。
无线电波是一种能量传播形式。
在传播过程中,电场和磁场在空间是相互垂直的,同时这两者又都垂直于传播方向。
注意:
这是我们所说的是自由空间波,也就是TEM波(或横电磁波)
Note:
水波:
看得见“碧波荡漾”;
声波:
听得见悠扬的琴声;这些波的传输需要媒质。
电磁波,看不见,也听不着,但它客观存在。
我们常看到电磁污染的报道,事实上,我们就置身于一个充满电磁波的世界里。
手机、广播电视、雷达、导航、遥控、遥测等技术领域均属无线通信范畴,它们的共同点就是利用电磁波来传递消息。
利用电磁波传递信息的系统称为无线通信系统
无线电波在真空中传播的速度?
在大气层中传播的速度近似等于光速(
),可以认为无线电信号在瞬间即可从接收端达到发送端。
线性与非线性的基本概念
什么是线性系统?
时域中
频域中:
输出信号中没有新的频率分量产生。
什么是非线性系统?
一个非线性系统的输入输出关系可以简单的表示为:
如果输入信号幅度很小,那么上式中2次及以上的项就可以忽略,此时有
输出和输入信号间成线性关系。
在许多情况下仅保留前3项,忽略3次以上的项。
即,
通常各种电子器件(即有源器件)都是非线性器件,因此,所有包含电子器件的电子线路都是非线性电路。
但是,由于使用条件不同,电子器件所表现出来的非线性程度也不同。
在线性电子线路中,对信号进行处理时,尽量使电子器件工作在其特性的线性部分。
也就是说,在特定情况下,非线性器件可近似表现出线性特性,这时的电路基本上也是线性的,但或多或少会存在着一些不希望出现的失真。
Ex.小信号线性放大器。
高频电路中经常利用电子器件的非线性特性来完成振荡、频率变换等功能,我们把能完成这些功能的电路统称为“非线性电子线路”。
大家在《模拟电路基础》中所讨论的各种小信号放大器,由于它们的输入信号足够小,可以用线性等效电路来表示电子器件的特性,因此,可以采用线性电路的分析方法。
本课程中所讨论的各种功能电路利用的正是器件的非线性,必须采用非线性电路的近似分析方法。
1.2通信系统模型
※通信系统的概念
是指实现信息传输这一过程所涉及的全部技术设备和信道的总称。
现代通信系统的主要任务
发信者
受信者,迅速而准确的传送信息。
信息:
语言、音乐、文字、图像、数据等
本课程讨论的是各种电子系统和电子设备中的高频电路,这些电路主要用于利用电磁波传递信息的无线通信系统中。
※通信系统的基本组成
一个完整通信系统的基本组成包括:
信息源、输入变换器、发送设备、信道、接收设备、输出变换器和受信者五部分。
通信系统的基本组成如图1-1所示,各子单元的功能及通信过程描述如下。
1)信息源
是指要传送的原始信息。
信源具有各种不同的形式,如:
文字、数据、语音、音乐、图像等,一般是非电量。
2)输入变换器或换能器
(如:
话筒、拾音器、摄像机等):
将信息源输入待传输的信息转换成相应的电信号,这种包含消息的电信号称为基带信号(basebandSignal)。
例如:
利用话筒可以把话音转换成与之作相应变化的电信号;利用摄像管可把图像信号转换成与之作相应变化的电信号。
特点:
基带传输系统适合有线传输和近距离传输。
3)发射机(发送设备):
发射机的主要任务是调制和放大。
将基带信号变换为适合无线信道传输的高频电信号(该过程称为调制),高频已调电信号经过放大后获得足够的功率,然后被送入信道。
变换后的高频信号称为已调信号或频带信号(PassbandSignal)。
频带传输适合远距离传输和无线传输。
4)接收机(接收设备)
其功能是将从信道接收到的信号恢复成与发射机输入信号一致的基带信号。
因信号经信道传输后,难免有噪声干扰的加入,在接收机中必须滤除这些干扰,确保通信质量。
5)输出换能器
将接收设备输出的电信号还原成原始信息,如声音、图像等。
例如:
通过耳机或扬声器把代表话音变化的电信号还原为话音;通过显像管把图像电信号转换成图像信息重现在荧光屏上。
6)噪声源
指信道中的噪声及分散在通信系统中所有噪声的集中表示。
7)信道
信道是连接发、收两端传递信息的通道,又称传输媒质。
通信系统的信道有二大类:
①有线信道
架空明线、电缆、波导、光缆、光纤、电话、高压电线。
②无线信道
如海水、地球表面、自由空间等。
以自由空间为信道,利用电磁波传递信息的系统称为无线通信系统。
1.3无线电波的传播原理
无线通信的信道主要是自由空间,不同频率的信号在相同的媒质中传输特性有所不同。
决定无线电波传播方式的关键因素是无线电信号的频率,不同频段的无线电信号都各自有最适宜的传播方式,而传播方式又决定了其传播距离和传播性能(如传播的衰耗大小、信号的稳定性等)。
无线电信号的频率
传播方式
传播距离和传播性能
我们来认识一下无线电信号(无线电波)
1.3.1无线电信号(无线电波)
无线电波是一种能量传播形式。
在大气层中传播的速度近似等于光速(
)
基本概念
频率f:
每秒钟产生波的个数;
周期T:
一个波所占用的时间,是频率的倒数
波长λ:
一个周期内波行进的距离(或空间无线电波相邻两对应点的空间距离)。
在自由空间,λ与f的关系为:
λ=c/f或c=λf
式中,λ的单位为米(m),c为自由空间的光速
。
1.3.2无线电波的波段划分
无线电波是无线通信中赖以传递消息的电磁波,频率从几十kHz到几万MHz的电磁波都属于无线电波,这样宽广的范围内的无线电信号虽然具有许多共同的特点,但是由于频率不同,无线电信号的产生、放大和接收方式等就不一样。
例如:
低频无线电信号的产生采用RC振荡器;
本课程中涉及的30MHz以下的无线电信号采用LC振荡器;
射频微波波段的无线电信号采用负阻振荡器。
无线电波的传播特点有很大不同。
为了便于分析和应用,习惯上将无线电的频率范围划分为若干个区域,叫做频段,也叫做波段。
无线电波段可以按频率划分,也可以按波长划分。
关于无线电波的波段划分、主要传播方式及其用途在许多参考书中都有,但略有差异,下表仅供参考。
波段
频段
频率范围
用途
超长波
VLF(甚低频)
3Hz~30kHz
音频、电话、数据通信
长波
LF(低频)
30kHz~300kHz
导航、信标、电力线通信
中波
MF(中频)
300kHz~3MHz
AM广播、业余无线电
短波
HF(高频)
3MHz~30MHz
移动电话、短波广播
米波(超外波)
VHF(甚高频)
30MHz~300MHz
FM广播、TV、导航、移动通信
分米波
UHF(超高频)
300MHz~30GHz
TV、遥控、遥测、雷达、移动通信
厘米波
SHF(特高频)
3GHz~30GHz
微波通信、卫星通信、雷达
毫米波
EHF(极高频)
30GHz~300GHz
微波通信、雷达、射电天文
无线电广播常用的无线电波的波段:
电视使用的频段
光通信的基频
,
微波频率f(300MHz~300GHz)
光通信比微波频率高
倍,其通信容量比微波宽几万倍。
1.3.3无线电波传播特性
无线电波在空间的传输环境非常复杂。
•当电波传输时遇到比波长大很多的物体时,就会发生反射,比如在地球表面、建筑物和墙壁等光滑界面处都会发生反射。
•当电波的传播路径被尖锐的边缘阻挡时,电波会发生绕射。
在物理学中,把波绕过障碍物而传播的现象称为绕射(diffraction)。
绕射时,波的路径发生了改变或弯曲,它符合惠更斯原理。
•当电波穿行的介质中存在小于波长的物体,并且单位体积内阻挡物个数较多时就会发生散射,散射产生于小物体、粗糙表面和不规则物体等,在实际的通信系统中,树叶、道路标记和灯柱都会引起散射。
电波传播方式主要有:
绕射(地波)传播、
折射和反射(天波)传播、
直射(视距)传播
散射传播。
在业余无线电通信中,运用最多的是“天波”传播方式,是短波远距离通信的重要条件。
空间波和散射波的运用多见于超高频通信;
地波传播常见于低波段和近距离通信。
无线电波以每秒三十万公里的速度离开发射天线后,经过不同的传播路径到达接收点,
无线电台收到的信号是多个直射波和反射波组成的多径信号的叠加,多径信号造成的结果是信号严重衰落,无线通信中必须克服它们所造成的影响。
1)地波(绕射)传播
f<1.5MHz。
电磁波主要沿地表面波传播,称地波,如图1-5(a)所示。
大地是个导体,但不是理想导体。
当电磁波沿其表面传播时,有部分能量被损耗掉,f越高,趋肤效应越严重,损耗越大。
因此,频率较高的电磁波不宜采用绕射方式,不宜沿地面传输。
最适宜于采用地面波传播方式的是长波和中波。
优点:
地球的地貌和导电性短时间不会变化,故地面波传播特性稳定、可靠。
主要应用:
无线电导航、中波无线电通信和中波广播。
2)折射和反射(天波)传播
1.5MHz~30MHz。
主要靠电离层折射和反射,称为天波。
天波:
通过高空电离层的折射和反射返回地面的无线电波叫天波,如图1-5(b)所示。
电离层离地面约60
450Km。
被电离了的大气层,当无线电波到达电离层,一部分能量被电离层吸收后损失,另一部分能量被电离层反射和折射回地面。
一般f↑,在电离层中被吸收的能量越少。
但随着f越高,无线电波穿入电离层越深,当频率超过一定值后,无线电波将穿透电离层。
最适宜于天波传播方式的是短波波段(5MHz~30MHz)。
缺点:
由于受太阳照射的影响,电离层的高度、密度都在发生变化,这是造成短波波段采用天波传播不稳定的原因。
现象:
接受短波时,声音忽大、忽小,有时甚至完全收听不到。
优点:
传播的距离很远。
主要应用:
远距离无线电广播、短波无线电通信、国际无线电广播都采用天波传播。
3)直射(视距)传播(又称空间波)
空间波(直射波传播):
电波从发射天线出发,沿直线传播到接收天线的传输方式称为直射传播(空间波)如图1-5(c)所示。
有一部分电波是通过地面或其它障碍物反射到达接收点的,被称为反射波。
直射波和反射波合称为空间波。
对于频率在30MHz以上,进入米波、分米波、厘米波波段,以地面波方式传播衰减极大,以天波方式传播将穿透电离层不能返回地面,只能以空间波方式在视距范围内传播。
由于地球表面是弯曲的,空间波的传播受限于视距范围。
天线越高,传输距离越远。
几十米高的铁塔,通信距离为50km~60km。
克服视距传播的方法:
①微波中继通信;②卫星通信。
4)散射传播
对流层:
在离地面大约10km~13km的范围内的大气层叫对流层。
该层空气密度较高,所有的大气现象(如风、雨、雷、电等)都发生在这一层。
散射:
对流层中存在各种不同尺度的非均匀介质体,当无线电波辐射到这种不均匀介质体上时,它将入射波的能量向四面八方辐射,使一部分能量到达接收点,称之为散射。
利用高空对流层介质不均匀体对无线电波的散射作用进行传播的方式,叫散射通信。
图1-5(d)给出散射传播示意图。
散射传播主要发生在400MHz~10000MHz,属于超短波和微波范围。
对流层散射传播的通信距离大约为100km~500km,电磁波经对流层散射后能量损失很大,所以对流层散射通信要求使用大功率的发射机,高灵敏度的接收机和方向性强的天线。
总结:
较低频段的无线电波(长波和中波)主要采用地波(绕射原理)方式传播;
较高频段的无线电波(短波)主要采用天波(电离层折射)方式传播;
更高频段的无线电波(超短波、分米波、厘米波和毫米波)主要采用空间波,以视距(直线)传播为主。
1.4无线收发系统的组成及完成功能
1.4.1无线发系统的组成及完成功能
组成
1产生正弦载波
2完成基带信号对载波的调制,得到通带信号(已调波)
3将通带信号搬移到所需的频段上变频
4放大到足够的功率并发射
5不干扰相邻信道,限制频带。
以应用极其广泛的无线电广播调幅发射系统为例说明发射机的基本结构及工作原理。
图1-2给出调幅发射机原理框图
发射机的主要功能:
调制、上变频和功率放大。
工作原理:
原始信号(语音、图像、数据等)经过换能器转换为电信号,用该低频基带信号对高频载波进行调制,将已调波信号经过功率放大器放大后通过天线发射出去。
发射机通常由以下4部分组成。
高频部分包括:
主振荡器(masteroscillator):
由石英晶体振荡器产生频率稳定的高频振荡;
缓冲级(buffer):
实质上是一种吸收功率小、工作稳定的放大级,其作用是减弱后级对主振荡器的影响;
倍频器(frequencydouble):
将主振荡器的频率提高到需要的频率值;
高频放大器(amplifier):
放大高频信号,以达到推动末级功率放大器的电平;
调制器(modulator):
完成低频信号对高频载波信号的加载;
末级功率放大器(poweramplifier):
将输出功率提高到所需的发射功率。
低频部分:
用于实现声电变换,并将音频信号逐级放大到调制所需功率,对高频载波进行调制。
低频部分包括声电变换器(话筒)、低频放大器、低频功率放大器。
直流电源:
给各部分电路提供直流电能。
天线:
把高频已调信号转换为空间电磁波辐射出去。
1.4.2无线接收系统的组成及工作原理
1带通:
选频、滤除干扰。
从众多的信号中选出有用信号,
2放大:
将微弱信号放大到解调器所要求的电平值
3解调:
将通带信号变为基带信号。
无线电信号的接收过程与发射过程相反,其根本任务就是准确恢复信息。
为了提高灵敏度,目前无线电接收机都采用超外差式接收机,系统方框图见图1-3。
无线电接收系统包括选频回路、高频小信号调谐放大器、混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频功放和喇叭。
超外差接收机工作原理:
收天线收到微弱高频调幅信号,经输入回路选频后,通过高频放大器放大,送到混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信号进行混频,混频后得到中频信号的包络形状与天线感应输入的高频信号的包络完全相同,经中频放大后送到检波器,检出原调制的低频信号,经功率放大去推动扬声器。
超外差接收机(super-heterodynereceiver)的主要特点是把天线感应进来的不同已调波信号的载波频率
,通过混频转换为固定中频
(intermediatefrequency)的已调信号,通常中频频率要比接收信号频率低得多。
我国广播收音机的中频为465KHz,电视接收机的图像中频为38MHz。
由于中频频率是较低的固定中频,中频放大器的谐振回路在接收机选频时不需要调整,显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度。
这是无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因。
重点掌握
调幅发射机与超外差接收机
以图1-2和图1-3给出调幅发射机和超外差接收机组成框图为例,了解各电路模块的功能及电路每级的输出波形。
在发射机中,振荡器的作用是产生最初的高频信号,若它的工作频率低于所需的工作频率,则需通过倍频器将振荡频率整数倍的倍增到其工作频率上。
图中的激励放大器是高频信号放大器,它将高频信号放大到一定的电平以推动(激励)后面的输出功放。
输出功放是发射机的末级放大器,它是高频功率放大器,通常工作在非线性状态,它产生较大的高频功率(几瓦至几十瓦)将信号送至天线。
图1-3中的接收机是按常用的超外差方式构成的基本线路。
接收机输入端的高频放大器的作用是对天线上收到的所需信号进行初步的选择(只选取所需频率的信号而抑制其它频率的无用信号,靠放大器中的频率选择性电路完成的)和放大。
混频器将来自于放大器的信号与来自本机振荡器的信号相混(即进行频率的加或减)得到中频信号。
中频放大器是中心频率固定的带通放大器,它完成放大信号和进一步滤除无用信号的作用。
频率检波器又称鉴频器,它将输入的调频信号解调为话音信号,之后就可以经音频放大送入耳机或扬声器中了。
这种超外差接收机的主要特点是:
把在不同载波频率上工作的高频已调信号经混频后转换为固定中频的已调信号,经放大、选择后,再进行检波。
当要接收的信号频率改变时,只要相应改变本地振荡信号的频率完成混频就可以接收到所需的信号。
由于中频频率是较低的固定中频,中频放大器的谐振回路在接收机选频时不需要调整,因而谐振回路的选择性、通频带都可以做的比较好,从而显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度。
这是无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因。
从以上讲解可以看出,在发射机和接收机中,除了音频放大器之外,主要是处理高频信号的电路。
它们是高频信号的产生(振荡器)、放大(高频小信号放大器和高频功放)、变换(倍频器和混频器)、调制和解调电路。
这些基本单元电路的组成、原理及有关技术问题是我们研究的重点。
1.5无线通信系统中两种重要的变换
1非电信号
电信号;电信号
非电信号
发送端,非电信号
电信号
将要传输的非电量信号转换成电信号,转换得到的电信号一般由零频附近的直流分量和低频信号组成,称为基带信号(BasebandSignal),其特点是频率低,相对带宽较大。
如语音信号带宽300Hz~3400Hz,波长几百千米,天线尺寸与波长可比拟难以实现,所以不适合于无线传输,也不适合于发射。
为了实现有效发射和传输就必须进行调制。
无线电波是怎样把声音或图像信号发送到遥远的目的地?
人耳300Hz~3400Hz,“音频”
声波在空气中传播的速度约340m/s,且衰减很快,因此,一个人无论怎样尽力高喊,他的声音也不会传得很远。
(话筒)通过压电效应,声音
电信号
处理
传送
接收端电信号
非电信号。
显像管将电信号
图像;扬声器将电信号
声音
2调制
在高频电路中,我们遇到的信号主要有三种:
消息信号、高频载波信号和已调波信号。
下面逐一简要介绍。
消息信号携带信息的低频电信号,也称为“调制信号”或“基带信号”。
它是由非电物理量经输入变换器转换而来的原始低频电信号。
例如,话音、数据、电报、图像信号就是常见的消息信号;
载波信号未经调制的高频振荡信号;
“已调信号”或“频带信号”经过调制后携带有低频信息的高频信号。
调制的基本概念及实现过程
任何通信系统为了传递一定的信息必须占据一定的带宽。
也就是说,代表消息的电信号通常都具有复杂的波形。
它含有许多频率分量,因而占有一定的频率范围。
单纯的正弦波不携带任何信息。
“调制”就是用携带有原始信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数使之随原始电信号的变化规律而变化,实现对高频振荡信号的“加载”,即实现调制
“解调”就是从高频已调波中恢复出原来的低频调制信号,即对包含信息的已调信号进行“卸载”,即实现解调。
举个生活中的例子来形象理解无线通信中的调制。
有一堆货物欲从深圳运送到上海,必须先把它搬到交通工具上,如火车、飞机、汽车、轮船等,到达目的地上海之后,再将货物卸载下来,这个过程和无线通信系统非常类似。
•货物需要传递的信息
•交通工具高频载波
•装载货物调制
•卸载货物解调
●高频载波信号:
是指尚未受消息调制的单一频率(ωc)的正弦波信号,表示为
uc=Uccos(ωct+φ)
其中,Uc为正弦信号的振幅,ωc=2πfc为载波角频率,φ为初始相位。
若要通过高频载波传送消息信号,就必须使载波信号的某一参数——可以是振幅、频率或相位随消息信号而改变,即对载波信号进行调制。
通过分别控制高频信号的振幅、频率、相位就可以实现三种基本模拟调制方式:
振幅调制(调幅)
频率调制(调频FM)、相位调制(调相PM),合称为角度调制。
研究表明,在单频干扰情况下,调幅、调频与调相对应的已调波信号的电压信噪比大约等于各自调制指数。
即调制指数越大,对应的已调波信号的电压信噪比越大,抗干扰性越好。
调幅波的调制指数≤1,故抗干扰性差而调频、调相波的调制指数通常大于1,故抗干扰性比调幅波好,当然,这是以增加带宽为代价换取的。
调频波的调制指数可以做得很大,故调频波表现出良好的抗干扰性能。
本书的第6、7、8章将讨论这几种常用的模拟调制方式。
为什么要进行调制?
要传送的话音、音乐、图像这些信息源直接转换得到的电流信号是频率很低的电信号,这种信号被称为基带信号。
基带信号不经频谱搬移可以直接通过架空明线、电缆等有线信道传输,这种传输系统就称之为基带传输系统,这就是通常的有线广播。
这种传输方式的缺点一对线路上只能传输一路信号,这对信道的利用是很不经济的。
为了使信道上同时传输多路基带信号,就需要采用调制技术。
调制达到的目的
a)天线有效发射。
无线通信中的“发射”是指把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播。
只有馈送到天线上的信号波长与天线尺寸可以相比拟时,天线才能有效发射。
代表消息的基带信号通常都是低频信号,其波长远远大于天线尺寸,因此基带电信号电流送到天线上,是不能有效地转换成辐射到远方的无线电波的。
比如50Hz的信号,
=6000公里,要有效发射,天线长度要几百千米,这样的天线几乎无法实现。
b)实现有效传输。
高频具有宽阔的频段,能容纳许多互不干扰的频道,从而传输某些宽频带信号。
要听懂对方的语音需要传递信号的频率300Hz~3400Hz。
要传送一个语音信号至少要3kHz的频带。
普通电话就是这样设计的,因为电话的声音只能听懂,但不悦耳,也不能逼真。
为了相当逼真的传送语音和音乐信号,需占据6~15kHz的带宽。
电视中的图像信号,波形较复杂。
它会有宽广的频率分量,图像信号占据的带宽为0~6MHz。
一路彩电加上伴音信号要占据8MHz带宽。
通常一条通信线路一般只能有不超过10%的相对带宽(
),
其中
为载波频率,
越高,则
越大,所能容纳的、互不干扰的信息就越多,传输的信息容量就越大。
这就是为什么无线通信不断向高端延伸的原因。
c)实现信道的复用,提高信道利用率。
音频信号的频谱分布几乎在同一范围,都集中在300Hz~3400Hz。
如果直接把反映原始信息的电信号通过天线以辐射电磁波的形式传送,则无法保证同时传送多路信息而又不相互干扰,并且不利于接收端正确区分二路以上的信息,因此必须把要传送的信息分开。
如何才能把2路以上的信息分开
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