高频电子线路绪论

1、1 合肥工业大学 理学院刘士兴刘士兴Tel: 2901463/4/5-8107/8Tel: 2901463/4/5-8107/82什么是“高频高频”?“高频高频”也叫射频也叫射频, ,与与“低频低频”相对相对应应; ;狭义的高频为狭义的高频为3-30MHZ,3-30MHZ,广义上范广义上范围很宽围很宽, ,目前最高已达微波段目前最高已达微波段300GHZ300GHZ电路电路电子线路电子线路( (模拟电子模拟电子) )基础基础高高频电子线路频电子线路无线通信系统的重要特点就是利用无线通信系统的重要特点就是利用高高频信号频信号传递消息传递消息高频

2、电子线路主要应用于高频电子线路主要应用于无线通信无线通信；3高频电子线路研究对象高频电子线路研究对象传输信息的系统通称为传输信息的系统通称为通信系统通信系统广义地说，广播、电视、雷达及导广义地说，广播、电视、雷达及导航系统等，也都属于通信系统航系统等，也都属于通信系统高频电子线路所涉及的单元电路都高频电子线路所涉及的单元电路都是从传输与处理信息这一基本点出是从传输与处理信息这一基本点出发、来进行研究的。发、来进行研究的。包括：包括： 基带信号与载波基带信号与载波 、模拟通、模拟通信系统与数字通信系统信系统与数字通信系统4相关教材相关教材通信电子线路通信电子线路非线性电子线路非线性电子线路高频电

3、子线路高频电子线路5主要参考书 高频电子线路辅导书 曾兴雯 主编， 高等教育出版社通信电子线路 严国萍主编， 科学出版社高频电子线路 第3版， 张肃文 主编， 高等教育出版社电子线路（非线性部分） 第四版， 谢嘉奎 主编，高等教育出版社6第一章第一章 绪论绪论信息传输信息传输 ： 声、光、电、多媒体声、光、电、多媒体 有线传输有线传输 ：利用导线传送信息利用导线传送信息18371837年莫尔斯年莫尔斯(F(FMorse)Morse)发明有线电报发明有线电报 18761876年贝尔年贝尔(G(GBell)Bell)发明有线电话发明有线电话 无线传输无线传输：利用电磁波传送信息利用电磁波传送信息光

4、纤通信系统光纤通信系统： 利用光导纤维传送信息利用光导纤维传送信息7A.G.贝尔贝尔和和T.A.沃森手持第一台电话沃森手持第一台电话 我相信在未来，我相信在未来，电线将把不同城电线将把不同城市中的电话总局市中的电话总局联接在一起，某联接在一起，某个美国人可以同个美国人可以同万里之迢的他乡万里之迢的他乡直接用嘴巴话直接用嘴巴话。 A.G.贝尔8晶体管 激光 - 1958年光通信 - 宽带系统是互联网的基础数据网络- 1925年传送了第一份传真 数字传输与交换- 1962年，贝尔实验室第一次对语音信号进行了数字复用传输。 蜂窝移动电话技术 - 创造蜂窝的概念，并开发出全球第一个商业化的移动电话服务

5、。9通信卫星 - 1962年，建造全球第一个轨道式通信卫星，使电话呼叫横跨大洋环绕地球 数字信号处理(DSP) - 1979年制造出全球第一个DSP芯片按键电话 - 1963年推出按键电话取代旋转拨号电话Unix操作系统和C 语言 - 19691972年发明Unix&reg操作系统和C程序设计语言10无线电通讯的起源理论预言理论预言1864年，英国物理学家麦克斯韦(Maxwell)以理论推导得出“电磁波应该存在” 的结论赫兹实验赫兹实验 1888年，德国物理学家赫兹以实验来证明麦克斯韦的理论11赫茲实验12无线电通讯无线电通讯的起源的起源无线电通讯的实现无线电通讯的实现18951895

6、年年意大利年意大利年轻发轻发明家明家 改良了赫改良了赫茲茲实验实验，成功完成，成功完成1.71.7公里公里长长的的无线电报机实验无线电报机实验 19011901年年1212月月1212日完成了日完成了横横越越大西洋的大西洋的无线电通讯无线电通讯 19091909年年 13信息的传输与处理信息的传输与处理无线电技术的首要任务无线电技术的首要任务 第一个重要里程碑: 1907年：李德福雷斯特(Lecde Forest)发明了电子三极管第二个重要里程碑: 1948年：肖克莱(w.Shockly)等人发明晶体三极管第三个重要里程碑: 60年代开始出现集成电路 141.1 无线通信系统概述无线通信系统概

7、述 1.1.1 1.1.1 无线通信系统的组成无线通信系统的组成 无线通信(或称无线电通信)的类型很多, 可以根据传输方法、 频率范围、 用途等分类。但它们的基本组成不变.图1中虚线以上部分为发送设备（发信机）, 虚线以下部分为接收设备（收信机）, 天线及天线开关为收发共用设备。 信道为自由空间。 话筒和扬声器属于通信的终端设备, 分别为信源和信宿。 15图11 无线通信系统的基本组成 16超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。 当信号频率改变时, 只要相应地改变本地振荡信号频率即可。 高频电路的基本内容应该包括: （1）高频振荡器 （2）放大器 （3）

8、混频或变频 （4）调制与解调 17数字无线通信系统的组成数字无线通信系统的组成与此相似与此相似将将模拟通信终端换成数字通信终端模拟通信终端换成数字通信终端，或者在模，或者在模拟终端与调制解调器之间分别增加模拟终端与调制解调器之间分别增加模数转换数转换器器(ADC)和数和数模转换器模转换器(DAC)即可。即可。数字无线通信系统容易实现数字无线通信系统容易实现小型化，性能更加小型化，性能更加优越优越。在数字无线通信系统中，接收机的结构。在数字无线通信系统中，接收机的结构有多种类型，除了传统的超外差结构外，还有有多种类型，除了传统的超外差结构外，还有数字中频结构、直接变换结构等。数字中频结构、直接变

9、换结构等。数字超外差结构，中频比信号载频低很多，因数字超外差结构，中频比信号载频低很多，因此在中频上实现对有用信号的选择要比在载频此在中频上实现对有用信号的选择要比在载频上选择对滤波器上选择对滤波器Q值的要求低很多，容易实现值的要求低很多，容易实现稳定的高增益放大，甚至出现稳定的高增益放大，甚至出现零中频。零中频。18按照传送的消息的类型分为模拟通信和数字通信, 也可以分为话音通信、 图像通信、数据通信和多媒体通信等。 不同类型的通信系统, 虽然其系统组成和设备的复杂程度不同，但是组成设备的基本电路及原理都是相同的。 以模拟通信为重点来研究这些基本电路, 认识其规律。 这些电路和规律完全可以推

10、广应用到其它类型的通信系统。无线通信系统的类型无线通信系统的类型 (一)19按按工作频段或传输手段工作频段或传输手段分分:中波通信、中波通信、 短波通短波通信、信、 超短波通信、超短波通信、 微波通信和卫星通信等。微波通信和卫星通信等。 按照按照通信方式通信方式来分来分:主要有（全）双工、主要有（全）双工、 半双半双工和单工方式。工和单工方式。按照按照调制方式调制方式的不同来划分的不同来划分, 有调幅、有调幅、 调频、调频、 调相以及混合调制等。调相以及混合调制等。 无线通信系统的类型（二）无线通信系统的类型（二） 工作频率指发射与接收的工作频率指发射与接收的射频射频（RFRF）频率。）频率。

11、 是是“高频高频”的广义语的广义语, , 指适合无线电发射和传指适合无线电发射和传播的频率。播的频率。 无线通信的一个发展方向就是开无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。辟更高的频段。 201.2 无线电信号与调制无线电信号与调制 无线电信号主要有三种无线电信号主要有三种: 基带基带 (消息消息) 信号、信号、 高频载波信号高频载波信号和和已调信号。已调信号。 所谓基带信号所谓基带信号, 就是没有进行调制之前的原始就是没有进行调制之前的原始信号信号, 也称调制信号。也称调制信号。 1 1、时间特性、时间特性 : : 信号随时间变化快慢的特性。信号随时间变化快慢的特性。 电压或电流的时间函数

12、电压或电流的时间函数, 通常用通常用时域波形时域波形或或 数数学表达式来描述。学表达式来描述。正弦波正弦波 信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性（如时间常数）与之相适应。特性（如时间常数）与之相适应。 21在自由空间中, 波长与频率关系: c = f c = f u无线电波只占整个电磁波频谱中的一部分频率在30kHz300GHzu无线电波无须通过有线媒介传播。 2 2、频谱特性、频谱特性22单位：赫茲 (Hz)合肥交通台 102.6MHz (FM)安徽广播电台 936kHz (AM)计算机CPU 500MHz, 2.8GHz交流电- 50Hz23

13、 对于较复杂的信号（如话音信号、 图像信号等）, 用频谱分析法表示较为方便。 图图 2 信号分解信号分解 24周期性信号可以表示为许多离散的频率分量(谐频), 用傅里叶变换法分解为连续谱, 信号为连续谱积分频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分。任何信号都会占据一定的带宽, 带宽就是信号能量主要部分(90%) 所占据的频率范围或频带宽度。语音能量主要集中在300Hz3.4KHz；射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，可以容纳许多互不干扰扰的信道，实现频分复用或频分多址，也以传播某些宽频带的消息信号(如图像) 。 图 3 频谱图 25电磁波频谱电磁波频谱珈瑪射線 硬 X-射線 軟 紫外線 紅外線可

14、見光 無線電波26无线电波频段无线电波频段27决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。 电磁波从发射天线辐射出去后, 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。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, 或者在产生折射或散射等现象, 造成到达接收机时的强度大大衰减。3 3、传播特性、传播特性28无线电波的29无线电波的干涉(Interference)30无线电波的及31图1 5 无线电波的主要传播方式（a） 直射传播; （b） 地波传播; （c） 天波传播; （d） 散射传播32 电磁波频段电磁波频段波波 段段波波 长长频频 率率特特 点点

15、说说 明明中长波中长波200m1.5MHz沿地表沿地表传播传播大地表面是导体，一部分大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越电磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大高，损耗越大短波短波10m-200m1.530MHz靠电离靠电离层反射层反射传播传播电磁波一部分被电磁波一部分被吸收吸收，另，另一部分被一部分被反射或折射反射或折射到地到地面。频率越高，被吸收的面。频率越高，被吸收的能量越小，但频率越过一能量越小，但频率越过一定值，电磁波会穿过电离定值，电磁波会穿过电离层，不再返回地面层，不再返回地面超短波超短波10m30MHz沿空间沿空间直线直线传传播播地球表面是弯曲的，所以地球表面是弯曲的，所以只

16、能限制在视线范围内只能限制在视线范围内本课程涉及的频段从中频本课程涉及的频段从中频(MF)(MF)到超高频到超高频(UHF)(UHF)33电磁波与地球大气层1-10GHz称为卫星通信频率的“窗口”频段 34高频适于天线辐射和无线传播:只有当天线的尺寸到可以与信号波长相比拟时, 天线的辐射效率才较高, 从而以较小的信号功率传播较远的距离, 接收天线才能有效地接收信号。人可以听到的声音频率在2020kHz，波长大于10km。4 4、调制特性、调制特性35调制是用调制信号去控制高频载波参数, 使载波信号的某一个或几个参数（振幅、 频率或相位）按照调制信号的规律变化。三种基本方式:振幅调制（调幅AM

17、）、 频率调制（调频FM ）、 相位调制（调相PM ）。 36无线通信存在的问题无线通信存在的问题 接收信号微弱：接收信号微弱： 电磁波电磁波 接收天线接收天线 存在干扰：存在干扰： 其它电台的发射信号，各种工业、其它电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层，宇医学装置辐射电磁波，大气层，宇宙固有的电磁干扰。宙固有的电磁干扰。37二十世纪20年代至40年代初使用范围小，主要使用对象是船舶、飞机、汽车等专用移动通信以及运用在军事通信中。40年代中至60年代末移动通讯向小型化方面大大前进了一步。美国、日本、英国、西德等国家开始应用汽车公用无线电话。3870年代至80年代美国贝尔实验室(

18、Bell Lab)推出的蜂窝式移动通信系统的概念，蜂窝式系统开始应用，是第一代移动通信系统。90年代中至今推出第二、第三代移动电话通讯系统。39第一代(1G)第一代的行动电话系统属于模拟式 (Analog)系统主要用于语音传输例子：AMPS, NMT, TACS缺点：容量小 ，通话品质差 ，容易被盗打与窃听40第二代(2G)第二代的系统为数字式(Digital)系统可提供语音/数据/传真传输，以及一系列加值型的服务41 vs 142接收到接收到处理后处理后4311接收到接收到处理后处理后44第二代(2G)第二代数字式(Digital)系统可提供语音/数据/传真传输;目前还在发展当中例子：GSM

19、 , CDMA缺点：数据传输速度慢 (9.6 14.4 kbps)45采用数字式蜂窝系统分时多任务存取技术 (Time Division Multiple Access, TDMA)不同时槽（Time Slot）可以分别传送不同的讯号46时间时槽 (Timeslots)47采用数字式蜂窝系统码分多址技术 (Code Division Multiple Access, CDMA)每个用户分配了各自特定的密码(Code)48例子： WCDMA , CDMA2000, 第三代(3G)49软件无线电的概念软件无线电的概念软件无线电（软件无线电（Software Defined Radio）是采用）是采

20、用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，用软件来定义无线电台各部分功能。平台上，用软件来定义无线电台各部分功能。即整个无线电台从高频、中频、基带到控制协即整个无线电台从高频、中频、基带到控制协议全部由软件编程来完成。议全部由软件编程来完成。核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带“数字数字/模拟模拟”转换器转换器完成信号的数字化，尽可能完成信号的数字化，尽可能地用软件来定义和实现通信功能。地用软件来定义和实现通信功能。软件无线电是一种基于数字信号处理软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，芯片，以

21、以软件为核心软件为核心的崭新的无线通信体系结构。的崭新的无线通信体系结构。501.3 本课程的特点本课程的特点 高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起来的来的, 也只有通过实践才能得到深入的了解。也只有通过实践才能得到深入的了解。学习本课程必须要高度重视学习本课程必须要高度重视实验实验环节环节, 坚持理论坚持理论联系实际联系实际, 在实践中积累丰富的经验。在实践中积累丰富的经验。 随着计算机技术和电子设计自动化（随着计算机技术和电子设计自动化（EDA技术）技术）的发展的发展, 越来越多的高频电子线路可以采用越来越多的高频电子线路可以采用EDA软件进

22、行设计、软件进行设计、 仿真分析和电路板制作仿真分析和电路板制作, 甚至可甚至可以做电磁兼容的分析和实际环境下的仿真。因此以做电磁兼容的分析和实际环境下的仿真。因此, 掌握先进的高频电路掌握先进的高频电路EDA技术技术, 也是学习高频电也是学习高频电子线路的一个重要内容。子线路的一个重要内容。 51本课程的特点本课程的特点 1. 1. 非线性非线性 高频电路绝大部分为非线性电路。精确求高频电路绝大部分为非线性电路。精确求解需要求解非线性方程或时变系数微分方程，解需要求解非线性方程或时变系数微分方程，很复杂。很复杂。一般采用计算机辅助设计一般采用计算机辅助设计(CAD)(CAD)的方法进行的方法

23、进行辅助分析。在工程上往往根据实际情况对器辅助分析。在工程上往往根据实际情况对器件的数学模型和电路的工作条件进行件的数学模型和电路的工作条件进行合理的合理的近似近似，以便用简单的分析方法，以便用简单的分析方法( (如折线近似如折线近似法、线性时变电路分析法、开关函数等法、线性时变电路分析法、开关函数等) )获获得具有实际意义的结果得具有实际意义的结果，而不过分追求其严，而不过分追求其严格性。格性。52本课程的特点本课程的特点 2. 2. 基本概念、基本原理、基本概念、基本原理、 基本分析方法和基本电路基本分析方法和基本电路 高频电路涉及概念多，单元功能电路种高频电路涉及概念多，单元功能电路种类多，实现一种单元功能电路型式很多，类多，实现一种单元功能电路型式很多，分析方法也不尽相同。分析方法也不尽相同。 对策：对策：抓住本质、抓基本电路抓住本质、抓基本电路 功能再多也是借助器件非线性；种类虽多，功能再多也是借助器件非线性；种类虽多，但都是在为数不多的基本电路上发展起来的。但都是在为数不多的基本电路上发展