无线通信系统基本原理

1高频电子技术轻工学院电子通信工程系，6328072课程内容通信系统组成正弦波振荡器调制电路（调幅、调频）高频功率放大器高频小信号谐振放大器变频与混频电路解调电路（调幅、调频）反馈控制电路高频电子技术学习资源：，高等教育，高等教育高频电子线路（第4版），电子技术非线性部分第4版，高频电子线路，

如，高等教育高频电子技术精品课程http:/：/jpkc/solver/classView.do?classKey=6731987&NavKey=6731987学习工具

：Multisim10，虚拟

，可以使用Multisim10来搭建电路并仿真电路，了解电路特性和工作特点，也可以用Multisim10来做实验。3电容三点式LC振荡电路电容三点式LC振荡电路高次谐波较小，信号波形较好。电容三点式LC振荡电路环路增益振幅特性环路增益相位特性6课题一无线通信系统的基本组成课题二电磁波频段的划分模块一无线通信系统的基本原理无线广播系统的组成1.1.1无线通信系统的基本组成与基本操作无线通信系统都由发射装置、接收装置和信道组成。完成信号的变换、发射、传输和接收过程。通信效果不仅取决于发射、接收装置，还取决于信道特性。电台播音员发射机收音机7发射天线无线通信设备无所不在的通信设备81.1.1无线通信系统的基本组成与基本操作9噪声与干扰调制 解调1.1.1无线通信系统的基本组成与基本操作信源输入变换器发送设备信道接收

输出设备

变换器信宿一、通信系统的基本组成通信：从发送者到接收者之间信息的传递。通信系统：利用电信号或光信号实现信息传递的系统。通信系统框图如下：高频已调信号低频基带信号低频基带信号物理信号物理信号101．信源信源是产生需要传送的原始信息的设备，信息主要是声音、图像、文字等物理信号。2.

输入变换器将发送者提供的非电物理量信号(如声音等)变换为电信号（是基带信号，信号频率低，不便于在信道中直接传输）。根据信源转换为电信号的方式，分为模拟通信和数字通信。本课程主要研究的是模拟通信系统。模拟信号：电压或电流幅度随时间连续变化的信号。数字信号：电压或电流幅度随时间离散变化的信号。一、通信系统的基本组成11模拟信号和数字信号10110

0-4V1V3V3V-1V-3V5V-5Vtt幅度4Vt幅度幅度(1)

时间连续模拟信号5V-5Vt幅度(2)

时间离散模拟信号(3)

多进制数字信号(4)

二进制数字信号发送设备基带信号频率低，不便于在信道传输。发送设备将输入的基带信号变成适合于信道传输的高频信号。这个过程称为“调制”。图1-1-3无线电测向信号源12一、通信系统的基本组成4.

信道是连接发、收两端的信号传输通道，又称“传输媒介”。可分为有线信道和无线信道两大类：有线通信：利用各种导线作为信道来传输信号的通信方式。有同轴电缆、双绞线、光纤等。有线通信抗干扰能力强。(1)同轴电缆13(2)双绞线(3)光纤无线通信：利用无线电波在空间的

来完成信息的传递。常通过天线来实现高频电信号的发射与接收，不同频率高频信号所需天线大小、尺寸、形状各不相同。无线信道多为大气层或外层空间，所受限制少，但易扰和。a)抛物面定向天线b)板状定向天线c)杆状全向天线14155.

接收设备与发送设备的作用相反。将信道传送过来的高频信号取出并进行处理，得到与发送端相对应的基带信号，这个过程称为“解调”。有些通信设备只有发射或者接收功能，称为“单工”通信设备，有些通信设备兼具发射和接收两种功能，称为“半双工”或“全双工”通信设备。图1-1-5无线电测向机全双工：发送者接收者能同时收发，如单工：发送者接收者单向通信，如广播半双工：发送者接收者不能同时收发，如对讲机通信方式：166.

输出变换器与输入变换器的作用相反。将接收输出的电信号恢复成原始物理信号，例如声音和图像。8.

信宿信宿是接收信息的人或设备，信息主要是以声音、图像、文字等物理信号形式存在。噪声与干扰分为外部噪声和

噪声。不仅存在于信道中，也存在于发射和接收的整个电路中。但信道中的噪声是主要干扰因素。因此要求接收装置增益高，选择性好。1718二、典型的无线发射设备的组成图1-1-6典型调幅发射机的原理框图话筒或音乐IC音频放大AM调制振荡器高频功率放大器振荡器产生等幅高频正弦信号，经倍频器后，即成为载波信号；载波频率在适合无线信道

的频率范围。高频功率放大器将高频已调信号放大，获得足够的

，作为“射频信号”发送出去。调制器把调制信号“装载”到载波上，产生高频已调信号。调制分调幅、调频、调相。基带信号，调制信号“射频信号”就是高频已调信号。载波信号已调信号fc倍频器fs

fc发射设备各部分作用：音频（话筒）放大器：又称为调制信号放大器，用来放大话筒或音乐的电信号，输出足够强的音频调制信号。振荡器：用来产生频率稳定的高频振荡信号，作为载波。常用电路有LC振荡器、石英晶体振荡器等。倍频器：受晶体基频的限制及分布参量的影响，振荡电路往往难以产生太高的振荡频率，所以使用倍频器倍频，使高频振荡的频率倍增到所需的载波频率上，以满足较高载频的要求。调制器：用调制信号电压（如音频信号）去控制高频载波的某个参量发生变化，从而产生已调信号，完成调制任务。高频功率放大器：简称高频功放，将已调制信号放大到足够大的功率，最后由天线以电磁波形式福射出去，以满足的要求。同时，具有滤波作用，降低杂波。发射天线：将已调制高频信号经天线辐射出去，在空同形成交变的电磁波，并传向远方。1920调制：用基带信号去控制高频载波信号的某一参数，使该参数按照基带信号的规律变化的过程，称为调制。被控制的是高频振荡的振幅时，称为振幅调制，简称调幅(AM)。被控制的是高频振荡的频率时，称为频率调制，简称调频(FM)。被控制的是高频振荡的相位时，称为相位调制，简称调相(PM)。调制信号：携有信息的基带电信号称为调制信号。载波信号：未调制的高频振荡信号（正弦波）称为载波信号。已调信号：经过调制后的高频振荡信号称为已调信号。22为什么需要调制？为什么无线电（射频）才适合于天线辐射和无线一般都要采用高频？原因如下：①减小天线的尺寸。只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比拟时，天线才具有较高的辐射效率。举例，音频范围为20Hz~20kHz，若发射100Hz的音频信号，波台发送的信息分配到可选择特定电台的信息而抑制其他电台发送的信息和各种干扰。f②实现信道的频率复用。将不不同频率的载波信号上，使长

c

3000km

。需减少波长，提高发射频率。23三、典型的无线接收设备的组成fcfLfmfs高频已调信号固定中频已调信号低频信号放大的低频信号本地振荡信号带自动增益控制的原理框图高频放大器混频器中频放大器本振AGC控制电压检波器前置放大器功率放大器fcfLfmfs24接收设备各部分作用：高频放大器：用来对天线所收到的有用高频信号进行频段选择和放大，并对其他无用信号进行抑制。本地振荡器：用来产生fL

=fc

+fm的高频振荡信号混频器：将频率为

fc的高频已调信号与本地振荡器提供的频率为fL的信号在混频器中实现变频，产生频率固定为fm的中频信号，方便中频放大器进行更加精确的滤波和放大。混频器的输出端获得的是已调信号和本振信号两者频率之差的较低的中频信号，这是“超外差”式

名称的由来。超外差

具有接收灵敏度高、选择性好、结构简单的特点。中频放大器：用来放大中频信号，因为中频频率较低，且是固定频率fm，所以中频放大器选择性和增益都可以做得较高，可以进一步滤除无用信号，提高

接收性能。检波器：从中频信号中得到频率为fs的基带信号（原调制信号），此过程称为“解调”，调幅波的解调也称为检波。前置放大器和功放：用来将基带信号放大后从扬声器输出。25AGC：自动增益控制，通过自动控制中放增益，得到稳定的基带信号。为什么叫超外差式

？混频器输出信号频率fm为本振fL和高频已调信号fc两者频率之差，fm

=fL

-fc。这种设计可以大幅度提高的性能。为什么要使用混频器？如果

直接将高频信号放大后直接解调，对于不同载波频率的高频已调信号，号的能力）和选择性（区别不的灵敏度（接收弱信台的能力）都不同，而且变化较大，这样就不能得到稳定的接收效果。而用混频器得到的中频信号的频率固定，因此中频放大器的选择性和增益容易实现基本与接收信号的频率无关，可以实现稳定的接收效果。一、无线电波波段的划分波段波长/m频率/MHz特点说

明中、长波>100<3沿地表大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大短波10

~1003

~

30靠电离层反射电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。频率越高，被吸收的能量越小，但频率超过一定值，电磁波会穿过电离层，不再返回地面超短波<

10>

30沿空间直线沿地表衰减极大，电磁波又会穿透电离层，不能返回地面。只能采用主要沿空间直线1.1.2电磁波频段的划分与传输特点27二、无线电波的

方式电磁波依靠反射、折射和衍射来进行。28沿地面 的地波特点：因为地面的导电特性比较稳定，所以电波沿地面物绕射能力强，传输距离比较的 比较稳定；遇远。应用：导航。29靠电离层的折射和反射进行特点：短波通信天线尺寸小，所需低，成本低；但因电离层状态随时间而变化，所以电波的

不稳定。应用：远距离无线电广播、电台等。通信及中距离小型移动303.

沿空间直线特点：距离只限制在视线范围内，所以距离是有等方式扩大传限的，但可以通过

天线、中继、或播距离。应用：中继通信、调频、电视广播、以及中。、导航系统31三、频率的分配同一地区、同一时段用相同或相近频率的无线电通信设备工作时必然相互干扰，因此无线电频率需要仔细规划并且加以利用。为避免各种信号频率，相互干扰，要求不同无线电设备工作在不同的发射频率上，采用调制方法把不同信号装载到不同频率的高频载波上发射出去，这样就可以避免相互干扰。将频率根据不同的业务加以分配。比如：中波调幅广播：525kHz~1605kHz；调频广播:87.5MHz~108MHz；GSM频段：900Mhz/1800Mhz/1900MHz；频谱的节约无线电总的频谱范围有限，力求压缩每个无线设备的带宽，减小信道间的间隔和干扰，提高频谱利用率。32四、天线（了解）1、天线辐射电磁波的基本原理天线是一个能量转换器：发射天线：高频电能接收天线：电磁波能电磁波能高频电能天线的重要参数和特性：方向性系数天线增益输入阻抗天线效率3334a)b)图1-1-4无线通信天线c)a)接收天线b)广播发射塔

c)路由器无线天线天线参数对发射天线和接收天线都适用，具有可逆性。同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。例如：某天线用作发射天线时向某方向辐射最强，意味着当它用作接收天线时，对该方向电磁波的接收能力也是最强的。无线电波是一种能量传输形式，在

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 方向。导线载有交变电流时就可以形成电磁波的辐射。辐射的能力与导线的长短和形状有关。当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。36通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。两臂长度相等的振子叫做对称振子：每臂长度为1/4波长，全长为1/2波长的振子也叫半波振子。37半波对称振子发射无线电波方向图382、天线的主要特性和参数（1）天线的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射或接收来自某一方向电磁波的能力。不同天线向各个方向辐射电磁波的强度是不一样的，说明天线发射电磁波是有方向性的。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示。39（2）天线的方向性系数方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度的一个参数。为了确定定向天线的方向性系数，通常以理想的非定向天线作为比较的标准。理想的非定向天线：各方向均匀辐射的理想点源天线，这种天线向各个方向的辐射是均匀的。任一定向天线的方向性系数，用D表示，是指在接收点产生相等电场强度的条件下，理想非定向天线的总辐射功率P∑0与该定向天线的总辐射功率P∑之比。即D

P0P40（3）天线的输入阻抗天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压UA与信号电流之IA比称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量，即ZA=RA+jXA。电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率，因此，必须尽量减小电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关。基本半波振子的输入阻抗为（ZA=73.1+

j

42.5

）欧姆。若将振子长度缩短3%~5%，则可以消除电抗分量，使输入阻抗呈现纯阻性，即ZA=73.1欧姆，通常标称为75欧姆。A41

U

AAIZ（4）天线效率天线效率是指天线辐射出去的功率（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的总功率之比。是恒小于1的数值。表示为：PA42

PPA是定向天线的输入功率，P∑是定向天线的总的辐射功率43（5）天线增益天线增益是天线辐射或接收电波大小的表现。它是方向系数与天线效率的乘积。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波

的距天线采用高增益天线，移动台天线采

D离就越远。一般用低增益天线。G

PA0P0

P0PA

P

/

PPA0是非定向天线的输入功率，P∑0是非定向天线的总的辐射功率，PA是定向天线的输入功率，P∑是定向天线的总的辐射功率（1）全向天线在水平面上，辐射与接收无最大方向的天