高频电子线路 绪论

1、参考教材：参考教材：通信电路通信电路 沈伟慈沈伟慈 主编主编 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社授课教师：惠鹏飞TEL公地点：6J410 高频电子线路高频电子线路是从事通信工程是从事通信工程、无线电通信、射无线电通信、射频和微波通信等工作所需要学习的一门频和微波通信等工作所需要学习的一门极其重要的极其重要的专业专业基础课。基础课。 学习学习无线电通信系统无线电通信系统中的一系列中的一系列基本单元电路基本单元电路，掌掌握电路的基本原理和分析方法，为从事射频通信相关工握电路的基本原理和分析方法，为从事射频通信相关工作奠定基础。作奠定基础。课程基本情况课程基本情况

2、课程性质、重要性课程性质、重要性学习目的学习目的绪论高频高频电子线路概述电子线路概述1传输信号的基本方法传输信号的基本方法2通信系统简介通信系统简介3无线电发射机和接收机无线电发射机和接收机4信号及其频谱信号及其频谱5本课程的特点本课程的特点6数字通信系统数字通信系统7现代通信系统现代通信系统8课程内容及要求课程内容及要求:1、介绍信息传输和处理的基本电路介绍信息传输和处理的基本电路,基本基本 原理和基本分析方法。原理和基本分析方法。2、要求掌握高频发射机、接收机的组成，要求掌握高频发射机、接收机的组成， 工作原理和电路设计。工作原理和电路设计。3、介绍和分析谐振回路、高频小信号放大介绍和分析

3、谐振回路、高频小信号放大 器、高频功率放大器、正弦波振荡器、器、高频功率放大器、正弦波振荡器、 调制、解调、干扰与噪声等。调制、解调、干扰与噪声等。0.1 高频电子线路概述1、语言与文字语言与文字 （最基本的传输手段）（最基本的传输手段）2、光通信光通信（远距离通信，迅速准确）（远距离通信，迅速准确）3、电通信电通信（无线通信、有线通信）（无线通信、有线通信）Maxwell 发现电磁场基本理论发现电磁场基本理论Hertz 实验证明了电磁场理论实验证明了电磁场理论Morse 有线电报有线电报Bell 有线电话有线电话0.2 传输信号的基本方法通信系统原理框图通信系统原理框图1、信号源信号源2、发

4、送设备发送设备3、传输信道传输信道4、接收设备接收设备5、收信装置收信装置0.3 通信系统简介信号源信号源接收设备接收设备发送设备发送设备传输信道传输信道收信装置收信装置0.3 通信系统简介 在实际的通信电子线路中传输的是各种电信在实际的通信电子线路中传输的是各种电信号号,为此就需要将各种形式的为此就需要将各种形式的信息信息转变成转变成电信号电信号。常见的信号源有：常见的信号源有：话筒话筒摄像机摄像机各种传感器件各种传感器件0.3.1 信号源发送设备的作用：发送设备的作用： 将基带信号变换成适合信道的传输特性的将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。信号。对基带信号进行变换的原因：对基带信号

5、进行变换的原因： 由于要传输的信息种类多样，其对应的由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。适合信道的直接传输。0.3.2 发送设备 传输信道又称传输媒质，是传输信道的媒质。传输信道又称传输媒质，是传输信道的媒质。不同的传输信道有不同的传输特性。不同的传输信道有不同的传输特性。如：电缆、光缆、无线电波如：电缆、光缆、无线电波传输信道简介：传输信道简介：有线通信信道有线通信信道0.3.3 传输信道无线通信信道无线通信信道1、双绞线、双绞线 适用于短距离（小于适用于短距离（小于100m）、）、1Mb/s数数据

6、率的通信环境。据率的通信环境。2、同轴电缆、同轴电缆 适用于距离在几百米、带宽小于适用于距离在几百米、带宽小于10MHz、码流率小于码流率小于20Mbps的通信环境的通信环境。有线通信信道3、光纤电缆、光纤电缆特点：衰减小（小于特点：衰减小（小于1db/km）、工作频率）、工作频率 高、信息容量大高、信息容量大有线通信信道 无线通信以自由空间为传输媒质：地波与天波无线通信以自由空间为传输媒质：地波与天波一、地波（分为地面波和空间波）一、地波（分为地面波和空间波）1、地面波、地面波 是沿地面传播的无线电波是沿地面传播的无线电波2、空间波、空间波 是在发射天线与接收天线间直线传播的无是在发射天线与

7、接收天线间直线传播的无线电波线电波, 发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由直接波和地面反射波合成。直接波和地面反射波合成。无线通信信道二、天波二、天波 经过地面经过地面100km至至500km的电离层反射的电离层反射传送到接收点的电磁波。传送到接收点的电磁波。 电离层反射的特点：电离层反射的特点： 频率越高，吸收能量越小，但频率过高频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段300KHz30MHz 。无线通信信道地面波适于地面波适于长波长波空间波适用于空间波适用于超短波超短波，天波则适

8、用于天波则适用于短波短波散射通信：利用对流层对电波的散射进行通讯，散射通信：利用对流层对电波的散射进行通讯，它适用于超短波以及微波波段的通信，通信距离它适用于超短波以及微波波段的通信，通信距离很远。很远。无线通信信道无线电波段的划分无线电波段的划分波段名称 波长范围 频率范围 频段名称 超长波超长波 10,000-100,000m 303kHz 甚低频甚低频VLF 长长 波波 1,00010,000m 30030kHz 低频低频LF 中中 波波 2001,000m 1500300kHz 中频中频MF 中短波中短波 50200m 6,0001,500kHz 中高频中高频IF 短短 波波 1050

9、m 306MHz 高频高频HF 米米 波波 110cm 30300MHz 甚高频甚高频VHF 分米波分米波 10100cm 300MHz3GHz 特高频特高频UHF 厘米波厘米波 110cm 330GHz 超高频超高频SHF 毫米波毫米波 110mm 30300GHz 极高频极高频EHF 亚毫米波亚毫米波1mm以下以下 300GHz以上以上 超极高频超极高频接收设备的作用：接收设备的作用： 接收传送过来的信号，并进行处理，以接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号恢复发送端的基带信号。 对接收设备的要求：对接收设备的要求： 由于信号在传输和恢复的过程中存在着由于信号在传输和恢复的

10、过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。0.3.4 接收设备收信装置收信装置 接收设备输出的电信号变换成接收设备输出的电信号变换成 原来形式的信号的装置原来形式的信号的装置。如：还原声音的喇叭还原声音的喇叭恢复图象的显象管恢复图象的显象管0.3.5 收信装置消息信号源放大器调制器高频振荡器谐振放大器或倍频器已调波放大器发射天线接收天线高频放大器本地振荡器混频器中频放大器解调器放大器视频显示器扬声器等等0.4 无线电发射机和接收机选择电路无线电如何将声音传送到无线电如何将声音传送到远方？远方？ 将首先把声音变成电信号，然后把这种低频电信将首先把

11、声音变成电信号，然后把这种低频电信号装载到高频电振荡上号装载到高频电振荡上(即调制即调制)，通过与高频振，通过与高频振荡波长相当的天线把信号有效的辐射出去。荡波长相当的天线把信号有效的辐射出去。 为什么要调制？为什么要调制？ 从切实可行的天线出发从切实可行的天线出发 区别不同的音频信号区别不同的音频信号 可实现的回路带宽可实现的回路带宽无线电发射机音频放大高频振荡倍频高频放大调制缓冲传输线话筒声音（直流电源未画）动画演示无线电发射机 将音频信号将音频信号“装载装载”到高频振荡中的方法到高频振荡中的方法有好几种，如有好几种，如调频、调频、调幅、调相等调幅、调相等。电视。电视中图象是调幅，伴音中图

12、象是调幅，伴音是调频。广播电台中是调频。广播电台中常用的方法是调幅与常用的方法是调幅与调频。调频。请看动画请看动画 载波信号 (a) v0 t v 音频信号 (b) vc t 已调幅信号 (c) 最简单的接收机 检 波 选 择 性 电 路 1MHz 870kHz 640kHz 无线电超外差式接收机 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 动画演示常用的信号表示方法常用的信号表示方法1、数学表达式法、数学表达式法如：如：tsinAu阶越函数阶越函数) t (Au正弦波正弦波0.5 信号及其频谱 A2、波形表达方式、波形表达方式例如例如：

13、0.5 信号及其频谱tsinAut3、频域表示法、频域表示法 根据傅立叶变换的基本原理，根据傅立叶变换的基本原理，任何一个函数任何一个函数都可以用傅立叶级数展开都可以用傅立叶级数展开。如果把信号看成一个。如果把信号看成一个函数，这就为我们研究信号提供了一新的方法。函数，这就为我们研究信号提供了一新的方法。 通过研究信号的频谱我们可以突出在信号传通过研究信号的频谱我们可以突出在信号传输中存在的主要问题，如输中存在的主要问题，如信号的变化规律信号的变化规律，信号信号的能量分布的能量分布0.5 信号及其频谱信号及其频谱信号及其频谱 由于任何复杂的信号，都可分解为许多不同频由于任何复杂的信号，都可分解

14、为许多不同频率的正弦信号之和，因此，所谓率的正弦信号之和，因此，所谓“频谱频谱”即是指组即是指组成成信号的各正弦分量按频率分布的情况。信号的各正弦分量按频率分布的情况。 为了更直观地了解信号的频率组成和特点，我们为了更直观地了解信号的频率组成和特点，我们通常采用作图的方法来表示频谱。用频率通常采用作图的方法来表示频谱。用频率 f 作横座作横座标，用信号的各正弦分量的相对振幅作纵座标，通标，用信号的各正弦分量的相对振幅作纵座标，通常称之为常称之为频谱图频谱图。0.5 信号及其频谱如：下面所示的一般语音信号的频谱示意图如：下面所示的一般语音信号的频谱示意图可以看到语音信号的频谱是连续的，其主要可以

15、看到语音信号的频谱是连续的，其主要能量集中在能量集中在1000Hz左右。左右。电压f/Hz30034000.5 信号及其频谱一般数字信号的频谱图如下：一般数字信号的频谱图如下： 可见，数字信号的频谱是可见，数字信号的频谱是不连续不连续的。的。 振幅f脉冲信号的分解 i t 一 次 谐 波i1 I0 (a) i t 三 次 谐 波i1 (b) i t 七 次 谐 波i7 i t 五 次 谐 波i1 (c) (d) 脉冲信号的频谱 f1表示脉冲重复频率，表示脉冲重复频率，也就是基波频率。也就是基波频率。f3、 f5 、f7分别表示三、五、分别表示三、五、七次谐波，在七次谐波，在f轴的轴的0点，点，

16、表示表示直流分量直流分量，这条谱，这条谱线的长度表示脉冲直流线的长度表示脉冲直流分量（即平衡值）的大分量（即平衡值）的大小。高次谐波的谱线可小。高次谐波的谱线可以分布到很高的频率，以分布到很高的频率，但其幅度已相当小。但其幅度已相当小。 i f f9 0 f7 f5 f3 f1 0.6 本课程的特点本课程的特点（1）电子信息与通信专业学生必须掌握的一门专）电子信息与通信专业学生必须掌握的一门专业基础课程。业基础课程。（2）它是电路理论、信号与线性系统、低频）它是电路理论、信号与线性系统、低频 电子电子线路等课程的后继课程。线路等课程的后继课程。（3）在学习这门课程时要注意它）在学习这门课程时要

17、注意它与低频电路理论与低频电路理论的不同分析方法和实验测试的不同点。的不同分析方法和实验测试的不同点。 1 1、负载是谐振回路，不是纯电阻；、负载是谐振回路，不是纯电阻；2 2、电路大部分是非线性电路。、电路大部分是非线性电路。0.64、课程要求：（1）通过学习掌握实际单元电路的分析方法。）通过学习掌握实际单元电路的分析方法。 包括放大、振荡、调谐、调制、变频电包括放大、振荡、调谐、调制、变频电 路。路。（2）整机电路的分析和计算。）整机电路的分析和计算。（3）根据给出的指标完成部分电路的设计。）根据给出的指标完成部分电路的设计。本课程的特点本课程的特点0.7 数字通信系统 传输数字信号的通信

18、系统称为数字通信传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，其原理框图如下图所示：系统，其原理框图如下图所示： 信源编码信道编码信道接收机输入模拟信号发射机信道解码信源解码输出模拟信号数字0.7 数字通信系统 模拟信号经信源编码和信道编码变成数字模拟信号经信源编码和信道编码变成数字基带信号，发射机将基带信号调制到高频基带信号，发射机将基带信号调制到高频载波上经信道传输到接收端，接收机还原载波上经信道传输到接收端，接收机还原出数字基带信号，经信道解码和信源解码出数字基带信号，经信道解码和信源解码还原出模拟基带信号。还原出模拟基带信号。 用数字基带信号对高频正弦载波进行的调用数字基带信号对高频正弦载波

19、进行的调制称数字调制。根据基带信号控制载波的制称数字调制。根据基带信号控制载波的参数不同，数字调制通常分为参数不同，数字调制通常分为振幅键控调振幅键控调制，频率键控和相位键控制，频率键控和相位键控三种基本方式。三种基本方式。0.7 数字通信系统振幅键控：（振幅键控：（Amplitude-shift keyingAmplitude-shift keying） (ASK) (ASK) 载波振幅受基带控制载波振幅受基带控制相位键控：（相位键控：（phase-shift keyingphase-shift keying）(PSK) (PSK) 载波相位受基带信号控制，当基带信号载波相位受基带信号控制，

20、当基带信号p p( (t t) ) = 1= 1时，载波起始相位为时，载波起始相位为0 0，当，当p p( (t t) = 0) = 0时载时载波起始相位为波起始相位为 0.7 数字通信系统 频率键控：频率键控：(Frequency-shift (Frequency-shift keyingkeying） (FSK) (FSK) 载波频率受基带信号控载波频率受基带信号控制，当制，当p p( (t t) = 1) = 1时，载时，载波频率为波频率为f f1 1；当；当p p( (t t) = ) = 0 0时，载波频率为时，载波频率为f f2 2，其波形如右图所示：其波形如右图所示： t (a)

21、 载波 t (c) ASK t (b) 基带 1 0 1 1 0 0 0 1 t (d) PSK t (e) FSK f1 f2 f1 f2 0.7 数字通信系统 数字通信的主要优点：数字通信的主要优点：有较强的抗干扰能力，通过再生中继技术可以消除噪声有较强的抗干扰能力，通过再生中继技术可以消除噪声的积累，并能对信号传输中因干扰而产生的差错及时发的积累，并能对信号传输中因干扰而产生的差错及时发现和纠正，从而提高了信息传输的可靠性。现和纠正，从而提高了信息传输的可靠性。数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。数字信号便于计算机进行处理，使通信系统更加通用和

22、数字信号便于计算机进行处理，使通信系统更加通用和灵活。灵活。数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化。数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化。0.7 数字通信系统 数字通信的缺点：数字通信的缺点： 数字信号占据频带较宽，频带利用率低，数字信号占据频带较宽，频带利用率低，但目前采用了一些新的数字调制技术，但目前采用了一些新的数字调制技术，不断增大通信容量，提高频带利用率，不断增大通信容量，提高频带利用率，所以数字通信的发展前景广阔。所以数字通信的发展前景广阔。0.8 现代通信系统 7070年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机，

23、前介绍的超外差接收机，70-8070-80年代无线电通信实现了模年代无线电通信实现了模拟拟数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统来表示，它是一个模拟与数字的混合系统。IF 放大解调DSPDACADC混频本振（数字频率合成可控振荡源）宽带 RF放大器0.8 现代通信系统(软件无线电软件无线电) ) 进入进入90

24、90年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，从数字化走向了软件化，软件无线电技术（软件无线电技术（software Radiosoftware Radio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括多频段多频段天线和天线和RFRF变换宽带变换宽带A/D/AA/D/A转换，完成转换，完成IFIF、基带、比特流处理、基带、比特流处理功能的通用可编程处理器功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的是满足军等。软件无线电最初目的是满足军用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式的各类

25、电用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速。并且在个人移动通信领域发展迅速。软件无线电是特指具有软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的能的DSPDSP芯

26、片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。0.8 现代通信系统 可编程处理器 宽带A/DD/A RF 转换 窄带 A/DD/A 可选的信号源编码 NR/T 软件 实时、准实时 高集成度硬件 电话 视频 传真 数据 移动终端 脱机软件 可编程 处理器 在线软件 N-R/T 软件 业务开发 工作站 可编程 处理器 宽带 A/DD/A RF 转换 PSTN 定时系统 模块式、开放硬件结构 天线接口 0.8 现代通信系统 软件无线电的标志：软件无线电的标志：1. 1. 无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全的无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全

27、的可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件控制的数字无线电。控制的数字无线电。2. 2. 在尽可能靠近天线的地方使用在尽可能靠近天线的地方使用A/D/AA/D/A转换器，因为转换器，因为信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的件无线电系统中的A/D/AA/D/A转换器已相当靠近天线，从而转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。字通信系统的根本区别所在。 0.8 现代通信系统 软件无线电的特点：软件无线电的特点： 1. 1. 具有完全的可编程性具有完全的可编程性通过安装不同的软件来实现不同的电路功通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。等。 2. 2. 软件无线电基于软件无线电基于DSPDSP技术技术 系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信