无线通信基础知识

项目式课程多媒体教案无线电通信测试与设计1.这门课主要研究什么问题？主要研究信息传输系统的基本概念、传输发送与接收设备基本电路以及电路的基本分析方法---通信电子电路射频卡考勤机主要研究信息传输系统的基本概念、传输发送设备基本电路与基本分析方法---通信电子电路信息AB传输媒质信号源发送设备接收设备终端装置基带信号已调信号已调信号基带信号信息源经传送的信息（如声音或图像）所转换成的微弱电信号；即必须有换能器（如话筒或摄12像机）；发送设备将微弱电信号变成适合于信道传输的信号，然后送入信道；传输媒质信号传输的通道；导线或光纤或传输电磁波的自由空间；接收设备把有用信号从众多信号和噪声中选取出来；终端装置将接收设备接收到的电信号再还原成原始信息：如扬声器或显像管等；各部分功能：信息AB1876年贝尔发明了电话1895年意大利人马克尼和俄国人波波夫利用电磁波实现了无线通信。1837年莫尔斯电码本课程的特点:

在本教材中，阐述的各部分高频电子线路，除高频小信号谐振放大器外，都是非线性电路。相对于线性电子线路的分析方法来说，非线性电子线路的分析方法更加复杂。数学知识要求较多2.输出信号和输入信号频率不同；输出信号中有新频率成分产生；设备电路fifo线性电路fi,fi非线性电路fi,fi,f1,f2,f3……1.从它处理的信号频率角度来说，发送和接收的信号，是高频信号；传输媒质信息源发送设备接收设备终端装置图1.1通信系统基本组成框图通信系统基本组成框图建立系统的概念课程主要内容直接发送无线电波的问题：由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射，天线的尺寸必须和电信号的波长为同一数量级(1/10-1)。原始电信号一般是低频信号，如语音信号频率范围f:20Hz-20KHzλ=c/f

λ20kHz=15Kmλ20Hz=1.5X104Km

波长很长。要制造出相应的巨大天线是不现实的。另外，若各发射台发射的均为同一频段的低频信号，信道中会互相重叠、干扰，接收设备也无法接收信号。解决方法：调制（1）调制（为什么要调制？）1、无线电信号发送原理和发送设备的基本组成调制的概念低频信号加载高频振荡信号调制信号载波信号uΩ=UΩmcosΩtuC==UCmcos(ωct+φ0)uC=UCmcos(ωct+φ0)调幅调相调频例:调幅已调波调频已调波调制的好处：采用调制方式以后，由于传送的是高频振荡信号，所需天线尺寸便可大大下降。同时，不同的发射台可以采用不同频率的高频振荡信号作为载波，这样在频谱上就可以互相区分开了。传输媒质信号源发送设备接收设备终端装置图1.49通信系统基本组成框图基带信号已调信号已调信号基带信号振荡器高频放大器倍频器高频功放及调制话筒调制信号放大器（2）无线电发送设备的组成发送设备各部分功能高频振荡器：产生频率稳定的高频信号即载波；高放或倍频器：放大载波信号，如果频率不够高，应通过倍频器使之达到所要求的频率，由多级谐振器组成；调制器：将调制信号装载到载波信号上，产生已调波；高频功放：将已调波进行功率放大，获得足够的发射功率；通过天线发射出去；话筒：将声音变成微弱的电信号；低放：将微弱电信号进行放大；检波：对调幅波的解调；Detection（1）解调从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程称为解调；根据已调波的不同分为：鉴频：对调频波的解调；FrequencyDetection鉴相：对调相波的解调；PhaseDetection2、无线电信号接收原理和接收设备的基本组成（2）无线电接收机的组成框图本机振荡器高频放大器混频器中频放大器振幅检波器低频放大器超外差式无线电接收机的框图接收设备各部分功能高频放大器：从天线接收到的信号中选择出所需的信号并放大；得到频率为fs的高频调幅波；本地振荡器用来产生fL=fc±fI的高频等幅振荡信号。混频器将其与本地振荡器提供的频率为fL的信号混频，产生频率为fI的中频信号。中频放大器是中心频率fI固定的放大器，进一步滤除无用信号。检波器(解调器)将得到的中频调制信号变换为原基带信号，再经低频或视频放大器放大后从扬声器或显象管输出。接收设备的第一级是高频放大器。由于由发送设备发出的信号经过长距离的传播，受到很大的衰减，能量受到很大的损失，同时还受到传输过程中来自各方面的干扰和噪声。当到达接收设备时，信号是很微弱的，因而需要经过放大器的放大，并且，高频放大器的窄带特性同时滤除一部分带外的噪声和干扰。高频放大器的输出是载频为fc的已调信号，经过混频器，接收过程：与本地振荡器提供的频率为fL的信号混频，产生频率为fI的中频信号。中频信号经中频放大器放大，送到解调器，恢复原基带信号，再经低频放大器放大后输出。高频放大器、中频放大器都是小信号谐振放大器，功率放大器是谐振功率放大器，调制器和解调器进行幅度调制、角度调制和它们的解调。上述电路以及振荡器、混频器都是本课程所讨论的重点。传输媒体——电磁波谱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。

1.2无线电波波段划分10kHz到103GHz范围内的电磁波称为无线电波电信号的传播方式无线电信号在空间以电磁波的形式进行传播。按照电磁波发射天线到接受天线的传播途径不同，可分为两大类：地波；天波。地波又分为两种传播形式：一种是地面波，地面波沿地面传播，；另一种是空间波，空间波在较高的发射天线与较高的接收天线之间的空中进行直射波传播或从发射天线经过体面反射到达接受天线。天波是指经过离地面100～500km的电离层反射电磁波到接收点的无线电波。●电磁波传播方式无线电波的波段划分表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)1000～10000m30～300KHz低频(LF)地波远距离通信中波波段(MW)100～1000m300～3000KHz中频(MF)地波，天波广播，通信，导航短波波段(SW)10～100m3～30MHz高频(HF)天波，地波广播，中距离通信超短波波段(VSW)1～10m30～300MHz甚高频(VHF)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)10～100cm300～3000MHz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)1～10cm3～30GHz特高频(SHF)直线传播中继通信，雷达，卫星通信毫米波波段(ESW)1～10mm30～300GHz极高频(EHF)直线传播微波通信，雷达波段名称波长范围频率范围频段名称主要传播方式和用途长波(LW）103~104m30~300KHz低频（ＬＦ）

越洋通信远距离导航中波

(MW)102~103m300KHz~3M中频（ＭＦ）船用通信、飞行通信

广播、业余无线电通信、短波(SW)１０~１００Ｍ3~3０M高频（HＦ）

广播、通信超短波(VSW)

１~１０m30~300M甚高频（ＶHＦ）

电视广播、调频广播、雷达微波分米波(USW)１０~１００cm300MHz~3G特高频（ＵＨＦ）通信、中继与卫星通信、电视广播、雷达厘米波(SSW)１~１０cm

3~3０G

超高频（ＳＨＦ）

中继与卫星通信、雷达毫米波(ESW)1

~10mm

30~300G

极高频（ＥＨＦ）

微波通信、雷达５50－１６０5KHZ中波２－２４M短波88-108M超短波1.3射频电路设计中的问题当频率较高时，分布参数的影响不能忽略。1.分布参数的影响2.趋肤效应的影响交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。我们一般用趋肤深度来表示趋肤效应的程度为工作频率，为导体的导磁率，为导体的电导率。f1.4射频中的元器件

各种高频电路基本上是由有源器件、无源元件和无源网络组成的。高频电路中使用的元器件与在低频电路中使用的元器件基本相同,但要注意它们在高频使用时的高频特性。高频电路中的元件主要是电阻(器)、电容(器)和电感(器),它们都属于无源的线性元件。1.电阻一个实际的电阻器,在低频时主要表现为电阻特性；在高频使用时不仅表现有电阻特性的一面,而且还表现有电抗特性的一面；其高频时的等效电路为：CR为分布电容,LR为引线电感,R为电阻2.电容

由介质隔开的两导体即构成电容。一个电容器的等效电路却如图（a）所示。理想电容器的阻抗1/(jωC),如图（b）虚线所示,其中,f为工作频率,ω=2πf。3.电感电感量是电感线圈的主要参数，是表示线圈产生自感应能力的一个物理量；电感线圈除表现出电感L的特性以外，还具有一定的损耗电阻r和分布电容C；随着工作频率的升高，线圈的有效电阻将会明显变大；高频时其分布电容的影响也很大；其高频等效电路为：1.5射频电路中常用概念1.5.1射频电路常用名词解释1.频带宽度概念2.分贝的概念3.品质因素

元件的Q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。1.5.2信号频谱的概念及应用时域的分析主要是研究被测信号和系统在时域内的幅度和时间特性。频域分析主要是研究被测信号和系统在频域内的幅频特性和相频特性。将幅频特性和相频特性绘制成谱线，统称为信号的频谱图。最简单的市电信号脉冲信号矩齿波信号常用标准电信号:矩齿波信号常用作为扫描信号等，在视频显示系统等设备中有着较为广泛的应用

语音信号:“你好”波形空气压力随时间变化的函数静止的单色图像信号亮度随空间位置变化的信号f(x,y)静止的彩色图像信号三基色随空间位置变化的信号正弦信号时域波形如图1.2所示。该信号的数学表达式为：式中，Um为正弦波正向或负向最大值，称为振幅，单位为V（伏特）；

=2f为角频率，单位为rad/s（弧度/秒）；f=1/T为频率，单位为Hz（赫兹）；T=t1t0为周期，单位为s（秒）；

0=t0为初相位，单位为rad（弧度）。由于余弦信号与正弦信号的波形变化规律完全一致，因此常把正弦和余弦信号均称为正弦波信号。正弦信号是最常用的信号之一。常用作为标准信号源、系统与设备的标准测试信号或信息传输的载体。时域特性研究锯齿波信号波形频谱:

是指信号在各个频率上的幅度分布情况，即幅度等某些特征量随频率变化的关系。用频谱图表示。振幅频谱图相位频谱图信号频谱的概念无线电信号的频域特性频域分析优势:信号频域特性的测试---1正弦信号频谱特性的测试---2方波信号频谱特性的测试做一做测试程序：①由DDS函数信号发生器输出一正弦信号ui，其面板显示振幅Uim=50mV、频率fi=1.0MHz。②保持步骤①，用频谱仪（或利用数字存储示波器的FFT功能，下同）直接测量ui的频谱，从频谱图中读出其频率、相位和振幅，与DDS函数信号发生器面板显示值比较并记录：谱线的数量为_____条，对应的fi=×106

Hz，0=

（度），Uim=

V结论：实际上，单一正弦信号的谱线________（只有1条，有2条，有很多条，由无数条。)③保持步骤②，画出ui频谱（谱线）图（以频率为横坐标，幅度为纵坐标），并写出其复指数形式的数学表达式。ui(t)=

VFFT测量点击点击点击可以使用光标随意测量测试程序：①由DDS函数信号发生器输出一方波信号ui，其面板显示振幅Uim=50mV、频率fi

=2.0MHz。②保持步骤①，用频谱仪直接测量ui的频谱，从频谱图中读出其频率和振幅，与DDS函数信号发生器面板显示值比较并记录：第1条谱线所对应的频率称为基波，其f1=×106

Hz，U1m=

V第2条谱线所对应的f2=×106

Hz，U2m=

V，称为_____次谐波。第3条谱线所对应的f3=×106

Hz，U3m=

V，称为_____次谐波。第4条谱线所对应的f4=×106Hz，U4m=

V，称为_____次谐波。第5条谱线所对应的f5=×106

Hz，U5m=

V，称为_____次谐波。……结论：实际上，方波信号的谱线________（只有1条，有2条，有很多条，有无数条），其频带宽度（取5条谱线时）B=________MHz。③保持步骤②，画出ui频谱图（画10条）。1、正弦信号的频谱特性所谓频谱，是指信号在各个频率上的幅度分布或所包含的频率成分及其幅度大小的分布情况。频谱图则是频谱的图形表示。正弦信号图1.19正弦信号频谱图由图1.19可见，正弦信号的频谱结构最为简单，只有一条谱线,其信号带宽为0。U=UmΨ0

矩形波信号谐波的合成过程示意图演示有限项逼近Gibbsphenomenon非正弦周期信号的傅里叶级数分解傅立叶:法国数学家、物理学家、三角级数创始人

周期信号可表示为谐波关系的正弦信号的加权和。非周期信号可用正弦信号的加权积分表示。傅立叶的两个主要贡献——

Poisson、Guass等人把这一成果应用到电学中去复杂的波形怎么办?非正弦周期信号的分解:tuitui图:非正弦周期信号1.三角形式2.复指数形式1、非正弦周期信号的傅里叶级数分解---三角形式周期信号表达式:周期为T的信号，在满足狄里赫利条件时，其三角形式的傅里叶级数展开式为（1-1）P22狄里赫利条件（1）在任何周期内，绝对可积，即；（2）在任何有限区间内，具有有限个极大值和极小值；（3）在任何有限区间内，连续，或只具有有限个第一类间断点。（1-1）余弦分量幅度正弦分量幅度直流分量其中：基波角频率

FundamentalFrequency傅里叶级数三角形式:注意:非正弦周期电流、电压信号分解成傅里叶级数的关键在于求出系数a0、an、bn，可以利用函数的某种对称性判断它包含哪些谐波分量及不包含哪些谐波分量，可使系数的确定简化，给计算和分析将带来很大的方便。如以下几种周期函数值得注意：

x(t)为偶函数,波形对称于纵轴，如图X(t)=X(-t)(2))x(t)为奇函数波形对称于原点,如图x(t)=-x(t)

即偶函数的三角形式傅里叶级数中不含正弦量X(t)为偶函数:X(t)为奇函数在奇函数的傅里叶级数中不会含有直流与余弦分量，只可能包含正弦分量。练习1:求矩形波信号的频谱特性例:矩形波（方波）波形。现求其傅里叶级数展开式。

奇函数，奇谐函数平均直流分量周期信号的频谱特点:①离散性——频谱是离散的而不是连续的，每根谱线代表一个谐波分量。这种频谱称为离散频谱；②谐波性——谱线只能出现在基波角频率1的整数倍上；③收敛性——幅度谱的谱线幅度随着频率的增加而逐渐衰减到零。从一些具体信号得出的，但许多周期性信号的频谱都具有这样的特点。三角形式的傅立叶级数的另一种形式:余弦形式n次谐波分量基波分量。bnanΨancosnω1t+bnsinnω1t=Ancos(ω1t+Ψ)cos(а+β)=cosаcosβ-sinаsinβ=cos(-а)cosβ+sin(-а)sinβ解:

化成余弦形式：¼¼+++++++=3132121110)3cos()2cos()cos()(tAtAtAatxjwjwjw试画出信号f（t）的频谱。

练习2：2.周期信号的复指数形式傅里叶级数可以表示为指数形式令（1.5.2）

式（1.5.2）称为周期信号的复指数形式傅里叶级数，它表明任意周期信号可分解为许多不同频率的复指数信号（）之和。复数量为傅里叶复系数，也简称为傅里叶系数，其模为相角为。将和的计算式代入后可得傅里叶级数的复系数的公式

可见也是n（或）的函数，它与和的关系如下：是的偶函数，是的奇函数。

2、正弦信号的复指数表示形式UmtU1m/2U1m/2w1-w1ψ0tw1ψ-w1-ψ0Aejωt同一个信号，既可以展开成三角形式的傅里叶级数，又可展开成复指数形式的傅里叶级数。前者是实数形式的傅里叶级数，是将周期信号表示为直流分量和一系列谐波分量之和。后者为复数形式的傅里叶级数，是将周期信号表示为直流分量和一系列虚指数函数之和。复指数形式傅里叶级数中有负频率项，这只是数学运算的结果，并不表示真正存在负频率分量，负频率项与相应的正频率项合起来才代表一个频率分量。结论:（1-3）

总结:例：求复指数形式的傅里叶级数如图1.23所示为周期矩形脉冲信号,其幅度为A,脉冲宽度为，周期为T

在长度为T的区间

上可表示为图1.23周期矩形脉冲可求得其傅里叶复系数：2T)(Sa1twtnA=twn22sin11twtnTA×=2sin211twwnTnA=)(122111wtwtweejnTAjnjn--×=-td1221twtAeTtjn=--òd)(1221wtetxTXTTtjnn=--ò-------------------称为取样函数，波形如图所示。取样函数在通信中应用很多，是一个重要的函数。当时图1.24取样函数可写出该周期矩形脉冲信号的复指数形式傅里叶级数展开式为令求得P28第一个零点图1.25周期矩形脉冲信号的频谱图零点周期矩形脉冲信号频谱图特点令图1.25周期矩形脉冲信号的频谱图零点1.谱线是离散的2.在频谱图中还可以看出，随着频率的增高，各分量的幅度逐渐趋于零。周期矩形脉冲信号的能量主要集中在第一个零点以内，那些次数较高的频率分量实际上可以忽略不计。在允许一定失真的条件下，只需传送频率较低的那些分量就够了。通常把这段频率范围称为周期矩形脉冲信号的频带宽度或带宽，记做P30讨论：周期T、脉宽对频谱的影响T一定，变化，变小。结论：矩形脉冲的频带宽度与脉冲宽度成反比。展缩特性

Xn

Xn

第一零点位置变大，幅度变小,ω1不变,谱线间隔不变，谱线数量增加了。信号带宽变宽。

Xn

Xn

非周期信号的频谱特性---傅立叶