线性电路与非线性电路

1、单元一 绪论课 题：1.1 线性电路与非线性电路1.2 无线电通信系统（一）教学目的：1了解线性电路与非线性电路的基本概念2了解通信系统的分类3掌握无线通信系统的组成及调制、解调的基本概念教学重点：无线通信系统的组成及调制、解调的基本概念教学难点：无 教学方法：讲授 课 时：2学时 教学进程单元一 绪论高频电子线路是通信系统，特别是无线电通信系统的基础，它研究的对象是非线性电子线路的单元电路，均是无线电通信设备必不可少的单元电路。高频电子线路广泛应用于通信系统和各种设备中。无线电通信、广播、雷达、导航等都是利用高频无线电波来传递信息。尽管它们在传递信息形式、工作方式及设备体制等方面有很大不同，

2、但设备中产生和接收、检测高频信号的基本电路大致相同。本课程将以无线通信系统为主要研究对象，着重讨论无线电设备中的高频放大器和高频功率放大器、振荡器、频率变换器等电子电路的基本原理和应用。1.1 线性电路与非线性电路电子器件严格上均为非线性的，故所构成的电子线路均为非线性电子线路。但是，依据器件的使用条件不同，所表现的非线性程度不同。线性电路：对信号进行处理时，尽量使用器件特性的线性部分。电路基本是线性的，但存在不希望有的失真。非线性电路：对信号进行处理时，使用了器件特性的非线性部分，利用器件的非线性完成振荡、频率变换等功能。小信号条件下，由于输入信号足够小，电路可以用线性等效电路表示，如线性电

3、子线路部分讨论过的各种小信号放大器。器件的特性，归属线性电子线路。大信号条件下，由于输入信号较大，必然涉及到器件的非线性部分，例如功率放大器，这样就不能用线性等效电路表示电子器件的特征，而必须用非线性电路的分析方法。所以功放归在非线性电子线路的范畴。1.2 无线电通信系统一. 通信系统的分类 1. 通信（communication）一切将信息从发送者传送到接收者的过程。 自古以来，信息就如同物质和能量一样，是人类赖以生存和发展的基础资源之一。人类通信的历史可以追溯到远古时代，文字、信标、烽火及驿站等作为主要的通信方式，曾经延续了几千年。电通信的发展历史从1837年美国人莫尔斯发明人工电报装置开

4、始，至今不过170年。翻开厚厚的电信史册，沿着历史的脚步一路走来，在技术和市场需求的双重驱动下，仅有一百多年历史的电通信发生了翻天覆地的巨变，取得了令人惊叹的辉煌成就。消息 （NEWS，MESSAGE）： 关于人或事物情况的报道。 通信过程中传输的具体对象：文字，语音，图象，数据等。信息 （INFORMATION）： 有用的消息信号 （SIGNAL）： 信息的具体存载体。2. 通信系统实现信息传送过程的系统。3. 分类（1）按传输的信息的物理特征，可以分为电话、电报、传真通信系统，广播电视通信系统，数据通信系统等；（2）按信道传输的信号传送类型，可以分为模拟和数字通信系统；（3）按传输媒介（信

5、道）的物理特征，可以分为有线通信系统利用导线传送信息；无线通信系统利用电磁波传送信息；光纤通信系统利用光导纤维传送信息。在无线模拟通信系统中，信道便是指自由空间。二无线通信系统组成：发送设备+接收设备+传输媒体。图1-1 无线通信系统组成1. 发送设备（1）变换器（换能器）：将被发送的信息变换为电信号。例如话筒将声音变为电信号。（2）发射机：将换能器输出的电信号变为强度足够的高频电振荡。（3）天线：将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射。2. 传输媒体电磁波电磁波波谱图如图1-2所示：图1-2 电磁波波谱图在自由空间中, 波长与频率存在以下关系: c = f 式中: c为光速, f 和分别为无线

6、电波的频率和波长, 因此, 无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。 对频率或波长进行分段, 分别称为频段或波段。 不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同, 传播的能力和方式也不同, 因而它们的分析方法和应用范围也不同。无线电波只是一种波长比较长的电磁波, 占据的频率范围很广。 电磁波从发射机天线辐射后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一 部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射；或在大气层中产生折射或散射，从而造成强度的衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象 , 电波的传播方式见图1-3，主要有（a）绕射（地波），（b）反射和折射（天

7、波），（c）直射（空间波） 。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。图1-3 电波的传播方式沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。绕射传播。传播途径主要取决于地面的电特性。地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。但地波不受气候影响，可靠性高。超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。短波近距离通信也利用地波传播。天波：利用天空的电离层折射和反射而传播的电波，也叫天空波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信。两个突出特点：一是传播距离远，同时产生中间静区地带，二是传播不稳定，随昼夜

8、和季节的变化而变化。因此，短波通信要经党更换波段，以保证质量。空间波又称为直射波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。在地面进行直射波通信，其接收点的场强由两路组成：一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量高架。电磁波传输方式，依据波长不同，可分：波段名称波长范围频率范围波段名称传播方式应用场合长波波段(LW)1

9、00010000m30300KHz低频(LF)地波远距离通信中波波段(MW)1001000m3003000KHz中频(MF)地波，天波广播，通信，导航短波波段(SW)10100m330MHz高频(HF)天波，地波广播，中距离通信超短波波段(VSW)110m30300MHz甚高频(YHF)直线传播对流层散射移动通信，电视广播，调频广播，雷达导航等分米波波段(USW)101000cm3003000MHz超高频(UHF)直线传播散射传播通信，中继通信，卫星通信，电视广播，雷达厘米波波段(SSW)110cm330GHz特高频(SHF)直线传播中继通信，雷达，卫星通信毫米波波段(ESW)110mm303

10、00GHz极高频(EHF)直线传播微波通信，雷达3. 接收设备接收是发射的逆过程（1）接收天线：将空间传播到其上的电磁波高频电振荡（2）接收机：高频电振荡电信号（3）变换器（换能器）：将电信号所传送信息三无线通信存在的问题信号直接以电磁波形式从天线辐射出去，存在以下问题：1无法制造合适尺寸的天线。天线尺寸与波长相比拟时，信号才能被天线有效辐射。如音频信号：20Hz-20KHz。计算知实际做不到。2. 接收者无法选出要接收的信号。存在干扰：其它电台发射信号，各种工业设备辐射电磁波，大气层、宇宙固有的电磁干扰。所以对接收装置的要求：能从众多的电磁波中选出有用的微弱信号。四解决方案发射机和接收机借助

11、线性和非线性电子线路对携有信息的电信号进行变换和处理。除放大外，最主要有调制、解调。1. 调制：由携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数，使该参数按照电信号的规律而变化。调制信号：携有信息的电信号。载波信号：未调制的高频振荡信号。已调波：经过调制后的高频振荡信号。调幅、调角（调频、调相）。2. 解调：调制的逆过程，将已调波转换为载有信息的电信号。3. 调制的作用：（1）显著减小天线的尺寸；(声音 30 3000 Hz，天线要几百 km)；如果天线高度为辐射信号波长的四分之一，更便于发挥天线的辐射能力。于是分配民用广播的频段为535-1605 KHz（中频段），对应波长为187-560 m

12、，天线需要几十米到上百米；而移动通信手机天线只不过10cm，它使用了900 MHz频段。这些广播与移动通信都必须进行某种调制，而将话音或编码基带频谱搬移到应用频段。（2）将不同电台发送的信息分配到不同频率的载波信号上，使接收机可选择特定电台的信息而抑制其它电台发送的信息和各种干扰。五发射机组成采用调幅方式的中波广播发射机组成方框图如图1-4。图1-4采用调幅方式的中波广播发射机组成方框图无线电通信调幅广播发射机组成方框图动画演示请点击（1）振荡器：产生fosc的高频振荡信号，几十kHz以上。（2）高频放大器（倍频器）：一或多级小信号谐振放大器，放大振荡信号，使频率倍增至fc，并提供足够大的载波

13、功率。（3）低频放大器：多级放大器组成，前几级为小信号放大器，用于放大微音器的电信号；后几级为功放，提供功率足够的调制信号。（4）高频功放及调幅器：实现调幅功能，将输入的载波信号和调制信号变换为所需的调幅波信号，并加到天线上。为了加强大家对无线电信号发射原理的理解，下面用动画对电视机发射情况作简单介绍。电视信号发射机原理框图动画演示请点击。本课小结：1. 小信号条件下，器件的特性归属线性电子线路。大信号条件下，电子器件的特征归在非线性电子线路的范畴。2. 无线通信系统由发送设备、接收设备、传输媒体组成。3. 发送设备由换能器、发射机、天线组成。4. 电波的传播方式主要有绕射、直射、反射、折射和

14、散射。5. 发射机和接收机要对电信号进行变换和处理。除放大外，最主要的功能是调制、解调。6. 发射机由振荡器、高频放大器、调制信号放大器组成。本课作业：1. 无线通信系统由哪几部分组成？2. 无线电通信为什么要进行调制？课 题：1.2 无线电通信系统（二）1.3 收音机电路1.4 非线性单元电路的任务功能、分析方法及其课程特点教学目的：1了解接收机的组成及其他通信系统2了解收音机的典型电路3了解非线性单元电路的任务功能、分析方法及其课程特点 教学重点：接收设备的功能、原理和组成教学难点：无 教学方法：讲授 课 时：2学时 教学进程：六接收机组成采用调幅方式的无线广播接收机组成方框图如图1-5。

15、（1）高频放大器：由一级或多级小信号谐振放大器组成，放大天线上感生的有用信号；并利用放大器中的谐振系统抑制天线上感生的其它频率的干扰信号。是可调谐的。（2）混频器：两个输入信号。频率为fc的高频已调信号，本机振荡器产生的频率为fL的本振信号。将频率为fc的高频已调信号不失真的变换为载波频率为截fI的中频已调信号。 我国中频。（3）本机振荡：用来产生频率为（或）的高频振荡信号。fL是可调的，并能跟踪fc。（4）中频放大器：由多级固定调谐的小信号放大器组成，放大中频信号。（5）检波器：实现解调功能，将中频调辐波变换为反映传送信息的调制信号。（6）低频放大器：由小信号放大器和功率放大器组成，放大调制

16、信号，向扬声器提供所需的推动功率。图1-5 采用调幅方式的无线广播接收机组成方框图无线电通信调幅广播接收机组成方框图动画演示请点击超外差接收机：包括混频器，本机振荡，中频放大器等组成。在超外差接收机中，有用信号在不同频率上进行放大，提高了接收机接收微弱信号的能力，还采用了谐振系统提高选取有用信号的能力。为了加强大家对无线电信号接收原理的理解，下面用动画对电视机接收情况作简单介绍。电视信号接收机原理框图动画演示请点击。七其它通信系统无论采用何种调制方式，发射机和接收机都包括上述各模块，区别主要在于调制器和解调器上。目前越来越多地采用调频无线通信系统。实现调制的模块为频率调制器，实现解调的模块为频

17、率检波器或鉴频器。当前正在发展的数字通信系统，其调制信号为数字信号，相应的调制为数字调制。近年来还提出了软件无线电的概念，用软件的方法实现通信系统中一部分电路的功能，改变程序便可变更调制方式。13 收音机电路如图1-6收音机电路由两片集成电路芯片与一些外围辅助电路组成。TEA5711/T芯片是收音机的主要芯片，它将接收到的无线电信号，经过高频信号接收、放大、变换，然后，再经过立体声功率放大器芯片CXAl622M，输出声音信号。TEA5711/T芯片的电路原理图如图1-7。该芯片分成上下两个放大通道。上方的通道是调频信号接收、放大、转换通道。从引脚16，接收高频调频信号，经过高频放大，再经过调频

18、信号的混频，输出10.7MHz的中频信号，经过两级中放和FM检波，产生455KHz中频调频信号，又经过锁相环电路鉴频，恢复音频信号，再经立体声功率放大器，放出声音来。图1-6 收音机电路下方的通道是调幅信号接收、放大、转换通道。从引脚18，接收高频调幅信号，经过高频放大、混频，输出455kHz的中频调幅信号，经过AM检波，直接送功率放大器放大、输出。该电路包括自动增益控制和自动频率控制电路。收音机放大电路集成芯片包括高频电路中除调制和高频谐振功率放大以外的各部分电路，其工作原理将在以后章节详细介绍。图1-7 TEA5711/T芯片的电路原理图1.4 非线性单元电路的任务功能、分析方法及其课程特

19、点一. 任务与功能1. 任务：研究非线性电子线路的基本电路、基本特点、基本分析方法和基本估算方法。 2. 功能：有两方面（1）完成能量转换.有输入信号控制下，把直流电源能量转换成按输入变化的交流信号能量。（功率放大器）.无输入信号控制下，把直流电源能量转换成按特定频率变化的交流信号能量。（正弦振荡器）（2）频率变换（或频谱搬移）.完成线性频谱搬移。（调幅、混频、检波）.完成频谱非线性搬移。（调频、鉴频、调相、鉴相等） 本课程将顺序讨论这两类电路。二. 分析方法1. 解非线性微分方程（复杂、繁、不被采用）2. 数值分析法（现代分析手段）3. 工程分析（课程采用方法，能明晰地分析各电路工作过程产生物理现象）（1）图解法（2）解析法：如指数函数分析法、折线近似分析法、线性时变系统分析法、