高频电子线路第一讲

1、 第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 无线通信系统概述无线通信系统概述 一、无线通信系统的组成一、无线通信系统的组成 广义地说，凡是在发信者与收信者之间以任何方式所进广义地说，凡是在发信者与收信者之间以任何方式所进行的消息传递，都是通信。实现消息传递所采用的设备总和，行的消息传递，都是通信。实现消息传递所采用的设备总和，称为通信系统。通信系统的组成模型如图称为通信系统。通信系统的组成模型如图1-1所示。所示。图图1-1 通信系统的组成模型通信系统的组成模型 图图1-1中有两种变换。首先，发送端的连续消息要变换成中有两种变换。首先，发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原

2、连续消息。这原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。这里所说的原始电信号，由于它通常具有频率很低的频谱分量，里所说的原始电信号，由于它通常具有频率很低的频谱分量，一般不宜直接传输。因此，在无线通信系统中常需要有第二一般不宜直接传输。因此，在无线通信系统中常需要有第二种变换，即将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，种变换，即将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换。这种变换与反变换称为并在接收端进行反变换。这种变换与反变换称为调制及解调调制及解调。经过调制的信号称为已调信号，它具有两个基本特性，一是经过调制的信号称为已调信号，它具有两个基本特性，一是携带有

3、信息，二是适应在信道中传输。原始信号又称为基带携带有信息，二是适应在信道中传输。原始信号又称为基带信号，而已调信号则称为频带信号。于是模拟通信的组成模信号，而已调信号则称为频带信号。于是模拟通信的组成模型略加改变，就可以构成如图型略加改变，就可以构成如图1-2所示的无线通信系统。所示的无线通信系统。图图1-2 无线通信系统的发送、接收系统框图无线通信系统的发送、接收系统框图 图图1-2中虚线之上的部分是中虚线之上的部分是发送设备发送设备；虚线之下的部；虚线之下的部分是接收设备；信道是自由空间。麦克风、摄像头、扬分是接收设备；信道是自由空间。麦克风、摄像头、扬声器、屏幕都是属于通信的终端设备，麦

4、克风与摄像头声器、屏幕都是属于通信的终端设备，麦克风与摄像头是信源，而扬声器与屏幕是信宿。是信源，而扬声器与屏幕是信宿。 虚线上面的信息源经虚线上面的信息源经过换能器将声音或景像转换为电信号，由它去控制载波过换能器将声音或景像转换为电信号，由它去控制载波振荡器输出的高频信号的某一个参数（振幅、频率或相振荡器输出的高频信号的某一个参数（振幅、频率或相位，也可以是联合控制），从而实现调制。调制信号幅位，也可以是联合控制），从而实现调制。调制信号幅度不够时，可根据需要进行若干级的放大（通常有预放度不够时，可根据需要进行若干级的放大（通常有预放大、激励放大和输出级放大三级）。最后，已调信号经大、激励放

5、大和输出级放大三级）。最后，已调信号经发射天线以电磁波的形式向空间辐射。发射天线以电磁波的形式向空间辐射。 虚线以下的部分是虚线以下的部分是接收机接收机。接收机一般采用超外差。接收机一般采用超外差方式。接收天线将接收到的微弱高频信号送入到高频小方式。接收天线将接收到的微弱高频信号送入到高频小信号放大器，进行放大及初步的选频，使其输出有一定信号放大器，进行放大及初步的选频，使其输出有一定的电压增益，更主要的是从众多的无线电信号中初步选的电压增益，更主要的是从众多的无线电信号中初步选出所需要的信号。为了保证接收机的性能在整个接收频出所需要的信号。为了保证接收机的性能在整个接收频段内不受输入信号频率

6、变化的影响，将经过初步放大和段内不受输入信号频率变化的影响，将经过初步放大和选频的信号送入选频的信号送入混频器混频器进行混频，将不同的载波变换为进行混频，将不同的载波变换为低于载频的低于载频的固定的中频固定的中频。取出中频后再进行集中放大与。取出中频后再进行集中放大与滤波，这样，对提高接收机的性能指标有很大的益处。滤波，这样，对提高接收机的性能指标有很大的益处。解调是在中频上进行的。经解调器就能恢复出原始信息，解调是在中频上进行的。经解调器就能恢复出原始信息，从而完成无线通信的过程。从而完成无线通信的过程。 二、课程要讨论的内容二、课程要讨论的内容 1.放大器。放大器。这里所说的放大器分两类，

7、即高频小信号这里所说的放大器分两类，即高频小信号放大器和高频功率放大器。在调制端，要将已调信号进放大器和高频功率放大器。在调制端，要将已调信号进行功率放大，经发射天线发出电磁波。经过一定距离的行功率放大，经发射天线发出电磁波。经过一定距离的传播，会有很大的衰减，到达接收端的能量往往变得非传播，会有很大的衰减，到达接收端的能量往往变得非常微弱。仅为常微弱。仅为10-1210-14瓦，从电磁场强度来说，只有微瓦，从电磁场强度来说，只有微伏伏/米的数量级，为了推动终端设备正常工作，接收机必米的数量级，为了推动终端设备正常工作，接收机必须将这样微弱的信号加以放大。须将这样微弱的信号加以放大。 2.高频

8、振荡器。高频振荡器。发送设备和接收设备中的高频信号源，发送设备和接收设备中的高频信号源，在发射机中称其为载波振荡器，在接收机中称其为本地振荡在发射机中称其为载波振荡器，在接收机中称其为本地振荡器。要将基带信号变换为适合信道传输特性的信号，就得寻器。要将基带信号变换为适合信道传输特性的信号，就得寻找一个载体，使基带信号寄载于高频振荡波的某个参数之上。找一个载体，使基带信号寄载于高频振荡波的某个参数之上。因为载波是余弦信号或正弦波，它有三个参数：振幅、频率因为载波是余弦信号或正弦波，它有三个参数：振幅、频率和相位，所以出现了振幅调制、频率调制和相位调制等不同和相位，所以出现了振幅调制、频率调制和相

9、位调制等不同的调制方式。顾名思义，所谓的振幅调制方式，就是用基带的调制方式。顾名思义，所谓的振幅调制方式，就是用基带信号去控制载频的振幅，使其振幅按照调制信号的规律变化；信号去控制载频的振幅，使其振幅按照调制信号的规律变化；所谓的调频，就是用基带信号去控制高频振荡波的频率，使所谓的调频，就是用基带信号去控制高频振荡波的频率，使其频率按基带信号的规律变化。可见，要实现基带信号的频其频率按基带信号的规律变化。可见，要实现基带信号的频带传输，必须由高频振荡器来提供载体。高频振荡器就是产带传输，必须由高频振荡器来提供载体。高频振荡器就是产生这一载体的振荡器。生这一载体的振荡器。 3.变换信号变换信号

10、。在发射机中要将基带信号的频谱搬移在在发射机中要将基带信号的频谱搬移在载频上，这是信号的变换；接收机收到的是高频已调波，载频上，这是信号的变换；接收机收到的是高频已调波，如调幅、调频或调相信号等。这些信号已经不同于原调制如调幅、调频或调相信号等。这些信号已经不同于原调制信号，因此不能在终端设备中直接显示出来，而接收机必信号，因此不能在终端设备中直接显示出来，而接收机必须把高频已调信号通过频率变换电路恢复为原始的调制信须把高频已调信号通过频率变换电路恢复为原始的调制信号，这一变换信号的过程被称为解调。实现分为两个步骤，号，这一变换信号的过程被称为解调。实现分为两个步骤，首先，将高频信号变换为频率

11、相对于高频来说是中频的信首先，将高频信号变换为频率相对于高频来说是中频的信号上；经中频放大与滤波，然后在较高的电平上实现解调。号上；经中频放大与滤波，然后在较高的电平上实现解调。接收机的增益获得、灵敏度提高、保真度提高、选择性增接收机的增益获得、灵敏度提高、保真度提高、选择性增强等性能指标的改善主要依赖于中频放大。可见，将频段强等性能指标的改善主要依赖于中频放大。可见，将频段内变化着的信号变换在固定的中频上进行特定的处理（放内变化着的信号变换在固定的中频上进行特定的处理（放大信号、提纯有用信号、抑制干扰），对降低接收设备的大信号、提纯有用信号、抑制干扰），对降低接收设备的复杂度，提高接收机的性

12、能带来颇多的好处。复杂度，提高接收机的性能带来颇多的好处。 4.控制。控制。在图在图1-2所示无线通信系统中，还没有包所示无线通信系统中，还没有包含通信系统中的控制电路，实际的无线通信系统中，含通信系统中的控制电路，实际的无线通信系统中，万万离不开控制电路。为了保障通信的及时性和可靠万万离不开控制电路。为了保障通信的及时性和可靠性，离不开某些反馈控制电路，包括自动增益控制性，离不开某些反馈控制电路，包括自动增益控制（AGC）电路、自动频率控制（）电路、自动频率控制（AFC）电路及自动相）电路及自动相位控制电路（位控制电路（PLL）。这些电路也是本课程要重点讨）。这些电路也是本课程要重点讨论的对

13、象。论的对象。 三、无线通信系统的信道三、无线通信系统的信道 在图在图1-2中，连接收、发两端信号的通道是信道，也中，连接收、发两端信号的通道是信道，也称传输媒介。在自由空间媒介里，电磁能量是以电磁波称传输媒介。在自由空间媒介里，电磁能量是以电磁波的形式传播的。发送天线将高频功率放大器输出的电能的形式传播的。发送天线将高频功率放大器输出的电能量经过发送天线系统转换，最终以电磁波的形式向自由量经过发送天线系统转换，最终以电磁波的形式向自由空间辐射。当天线的长度和载频的波长为同一量级时，空间辐射。当天线的长度和载频的波长为同一量级时，天线上的电流就会大大地增加，形成了较强的辐射。接天线上的电流就会

14、大大地增加，形成了较强的辐射。接收天线，将经过无线信道传输、衰落后变的很微弱的电收天线，将经过无线信道传输、衰落后变的很微弱的电磁波感应为电信号。可见，磁波感应为电信号。可见，无线通信是靠电磁波实现信无线通信是靠电磁波实现信息传输的。息传输的。 自然界中存在的电磁波的波谱很宽，如图自然界中存在的电磁波的波谱很宽，如图1-3所示。无线电波和光所示。无线电波和光波都属于电磁波。在自由空间，波都属于电磁波。在自由空间，波长与频率的关系波长与频率的关系如下如下 (1-1) 式中，式中， ，为光的传播速度；，为光的传播速度；f 和和分别为无线电波的频率分别为无线电波的频率和波长。和波长。对频率和波长进行

15、分段，分别称为频段和波段对频率和波长进行分段，分别称为频段和波段。cf83 10cm s 图图1-3 电磁波的波谱示意图电磁波的波谱示意图 地波地波 不同频率的电磁波有着不同的传播方式。不同频率的电磁波有着不同的传播方式。1.5MHz以下的电磁波主要沿着地球表面绕射传播，称为地波，如图以下的电磁波主要沿着地球表面绕射传播，称为地波，如图1-4所示。这种传播方式的特点是信号较为稳定，但衰减随所示。这种传播方式的特点是信号较为稳定，但衰减随着频率的升高、传播距离的增加而迅速增大。可见，频率较着频率的升高、传播距离的增加而迅速增大。可见，频率较高的信号不宜沿地表传播。高的信号不宜沿地表传播。 天波天

16、波 1530MHz的电磁波，主要靠空间中电离层的折射的电磁波，主要靠空间中电离层的折射和反射传播，称为天波，如图和反射传播，称为天波，如图1-5所示。这种传播方式的特所示。这种传播方式的特点是传输损耗较小，能以较小的功率实现远距离通信。但是点是传输损耗较小，能以较小的功率实现远距离通信。但是当频率超过一定值时，电磁波就会穿透电离层而不再返回地当频率超过一定值时，电磁波就会穿透电离层而不再返回地面。可见，频率更高的电磁波不宜用天波传播。面。可见，频率更高的电磁波不宜用天波传播。 直线波直线波 30MHz以上的频率，电磁波主要沿直线（视线）以上的频率，电磁波主要沿直线（视线）传播，所以又称视距传播

17、。此时发射天线与接收天线必须设传播，所以又称视距传播。此时发射天线与接收天线必须设置在视距范围内（约置在视距范围内（约50km，但可以通过增加天线高度来增，但可以通过增加天线高度来增加通信距离），如图加通信距离），如图1-6所示。所示。 为了讨论问题的方便，将不同频率的电磁波人为地划为了讨论问题的方便，将不同频率的电磁波人为地划分若干频段和波段，其相应的名称与主要应用领域列表分若干频段和波段，其相应的名称与主要应用领域列表于于1-1之中。之中。表表1-1无线电波的频段与波段划分表无线电波的频段与波段划分表 四、无线通信系统的类型四、无线通信系统的类型 无线通信系统的类型，可以根据不同的方法来划

18、分如下：无线通信系统的类型，可以根据不同的方法来划分如下： 1.按照工作频段或传输手段分类，主要有按照工作频段或传输手段分类，主要有中波通信、短中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信。这里的工作频。这里的工作频率指的是发射与接收的射频频率。射频实际上就是高频的广率指的是发射与接收的射频频率。射频实际上就是高频的广义词，它是适合无线电发射和传播的频率。义词，它是适合无线电发射和传播的频率。 2.按照通信方式分类，主要有按照通信方式分类，主要有单工、半双工和全双工方单工、半双工和全双工方式式。单工通信，指的是只能发送或只能接收的一种通信方式，。单工

19、通信，指的是只能发送或只能接收的一种通信方式，如遥测、遥控就是单工通信方式；半双工通信是指通信的双如遥测、遥控就是单工通信方式；半双工通信是指通信的双方都能收发消息，但不能同时进行接收和发送的通信方式，方都能收发消息，但不能同时进行接收和发送的通信方式，如使用同一载频工作的无线对讲机，就是按这种方式工作的；如使用同一载频工作的无线对讲机，就是按这种方式工作的；而全双工通信是一种接收和发送能够同时进行通信方式，例而全双工通信是一种接收和发送能够同时进行通信方式，例如，使用手机进行通信就是全双工通信方式。如，使用手机进行通信就是全双工通信方式。 3.按照调制方式的不同分类，有振幅调制、频率调制、按

20、照调制方式的不同分类，有振幅调制、频率调制、相位调制以及混合调制等调制制式。相位调制以及混合调制等调制制式。 4.按照传输的消息类型分类，有模拟通信和数字通信。按照传输的消息类型分类，有模拟通信和数字通信。也可以分为话音通信、图像通信、多媒体通信等。也可以分为话音通信、图像通信、多媒体通信等。 不同类型的通信系统，其系统的组成和设备的复杂程不同类型的通信系统，其系统的组成和设备的复杂程度是有别的，但组成系统的设备中的基本电路及其原理是度是有别的，但组成系统的设备中的基本电路及其原理是相同的，遵从同样的规律。相同的，遵从同样的规律。第二节第二节 无线通信系统中的信号无线通信系统中的信号 在高频电

21、路中，要处理的信号主要有三种：基带信号、在高频电路中，要处理的信号主要有三种：基带信号、载波信号及已调信号。载波信号及已调信号。 基带信号基带信号 模拟通信中的基带信号一般是语音信号或视频模拟通信中的基带信号一般是语音信号或视频信号，由图信号，由图1-2可知，接受信息的是人的两个感觉器官可知，接受信息的是人的两个感觉器官-眼睛眼睛和耳朵。人耳能听到的振动频率是和耳朵。人耳能听到的振动频率是2020kHz，语音信号的，语音信号的主要能量集中在主要能量集中在3003400Hz的频率范围内；人眼分辨频率的频率范围内；人眼分辨频率的能力比分辨语音频率的能力要强，在电视屏幕上，当相邻的能力比分辨语音频率

22、的能力要强，在电视屏幕上，当相邻像素靠近到一定程度时，人眼无法分辨出来了，另一方面，像素靠近到一定程度时，人眼无法分辨出来了，另一方面，视觉有惰性，再考虑人眼对色彩视觉上的共性，我国规定的视觉有惰性，再考虑人眼对色彩视觉上的共性，我国规定的视频信号带宽为视频信号带宽为06MHz。显然该传输频带宽度与语音传输。显然该传输频带宽度与语音传输频带宽度是有较大差别的。频带宽度是有较大差别的。 语音信号语音信号 对于语音信号根据式对于语音信号根据式(1-1)，可以算出对应的，可以算出对应的波长为波长为1000800km。试想，尺寸如此巨大的天线能否建。试想，尺寸如此巨大的天线能否建造？另一方面，假如所有

23、的语音信号都在此频率范围内来造？另一方面，假如所有的语音信号都在此频率范围内来传输，则在信道里会叠加，使得彼此重叠，接收端将无法传输，则在信道里会叠加，使得彼此重叠，接收端将无法选择所需要的信号。可见，欲进行无线电通信，必须以载选择所需要的信号。可见，欲进行无线电通信，必须以载波信号为运载工具，将调制信号寄载到载波的某一参数之波信号为运载工具，将调制信号寄载到载波的某一参数之上，使已调信号的波长与天线尺寸在同一数量级上。不同上，使已调信号的波长与天线尺寸在同一数量级上。不同的发射台采用不同的载波频率，这样既解决了天线尺寸问的发射台采用不同的载波频率，这样既解决了天线尺寸问题，又解决了信号的选择

24、问题。题，又解决了信号的选择问题。 载波信号载波信号 无线通信系统中的载波信号为一个正弦波或无线通信系统中的载波信号为一个正弦波或余弦波。其振荡频率是由国家无线电管理机构来划定的。如余弦波。其振荡频率是由国家无线电管理机构来划定的。如中波调幅广播的载频范围是中波调幅广播的载频范围是5501605kHz；短波广播的频；短波广播的频率范围为率范围为224MHz；调频广播的频率范围为；调频广播的频率范围为88108MHz；电视广播的电视广播的“甚高频甚高频”频段（频段（112频道），频率范围为频道），频率范围为48.5223 MHz，在，在“特高频特高频”频段，频率范围为频段，频率范围为670958

25、 MHz； 已调信号已调信号 已调信号又称为频带信号，若传输语音信号，已调信号又称为频带信号，若传输语音信号，且调制方式为振幅调制时，则基带信号被搬移至载波频率的且调制方式为振幅调制时，则基带信号被搬移至载波频率的左右两侧，位于载波左侧的称为下边带，位于载波右侧的称左右两侧，位于载波左侧的称为下边带，位于载波右侧的称为上边带。可以以如图为上边带。可以以如图1-7所示的频谱图来表征。所示的频谱图来表征。图图1-7 调幅制式下的三个信号频谱结构图调幅制式下的三个信号频谱结构图 上图中，图上图中，图(a)是话音信号的频谱结构，图是话音信号的频谱结构，图(b)是载是载波信号的频谱结构，波信号的频谱结构

26、，(c)是已调信号的频谱结构。显是已调信号的频谱结构。显然，高频载波的频率越高，可以利用的频带宽度就然，高频载波的频率越高，可以利用的频带宽度就越宽，这样不仅可以容纳许多互不干扰的信道，实越宽，这样不仅可以容纳许多互不干扰的信道，实现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些频带现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些频带较宽（如图像信号）的消息信号。较宽（如图像信号）的消息信号。第三节第三节 本课程的特点本课程的特点 一、课程特点一、课程特点 高频电子线路几乎都是由非线性元器件组成的。高频电子线路几乎都是由非线性元器件组成的。只是在不同的使用条件下，非线性器件所表现的非线只是在不同的使用条件下，非线性器件所表现的非线性程度不同而已。性程度不同而已。对于小信号放大器，对于小信号放大器，由于输入信号由于输入信号足够小，又要求不失真地放大，因此其中的非线性器足够小，又要求不失真地放大，因此其中的非线性器件可以件可以用线性等效电路来表示，用线性等效电路来表示，分析方法也可以分析方法也可以用线用线性电路的分析方法。性电路的分析方法。但是但是本书的绝大多数电路都是非本书的绝大多数电路都是非线性电路的范畴，一般用非线性电路的分析方法来进线性电路的范畴，一般用非线性电路的分析方法来进行分析。行分析。二、课程学习要求：二、课程学习要求：掌握、理解基本概念、原理与主要结论；掌握、理解基本概念、原理