高频电子线路绪论 课件

1,2019/11/27,1,陈美mj前修后续课程,本课程要求,2,2019/11/27,2,接收设备、发送设备的组成框图、各部分的作用及其工作原理和典型电路。,本课程重点,3,2019/11/27,3,研究的主要内容：以通信系统为主要对象，研究构成发送设备、接收设备的工作原理和各单元典型电路。主要特点：利用器件的非线性特性，关注电路的分布参数，同时，负载不再是纯电阻，而是以LC谐振回路作负载。,4,2019/11/27,4,广义上说：一切将信息从发送者传送到接收者的过程，均为通信的过程。实现这种信息传送的过程的系统即为通信系统。,2、通信系统框图,第一节通信系统常识1、通信系统定义,见教材P1,根据信道不同，通信系统可分为有线和无线,5,2019/11/27,5,信息源即信息的来源，具有各种不同的形式，如音乐、语言、文字、图像等。,输入变换器（话筒、拾音器、电键、摄像机等）：将信息源输入的信息（待传送的信息）转换成相应的电信号，该信号一般由零频附近的直流分量和低频信号组成，称为基带信号（BasebandSignal）或携有信息的电信号，它可以是模拟信号，也可以是数字信号。,3、各部分作用,6,2019/11/27,6,发射机：将基带信号变换为适合信道传输的高频电信号，变换后的高频电信号经过放大处理后以足够的功率送入信道，以实现信号有效的传输。变换后的信号称为已调信号或带通信号（PassbandSignal）。,7,2019/11/27,7,接收机：与发射机相反，接收机完成的功能是从信道接收到的信号中还原出与发射机输入信号一致的基带信号（这一过程称之为解调）。在信号传输过程中，不可避免地会有噪声和干扰的加入，因此接收机除了包含有与发送端相反作用的解调电路外，还有滤除干扰和噪声的电路，当然必要的放大也是需要的。,8,2019/11/27,8,输出变换器：将接收设备输出的电信号还原成原始信息，如声音、图像等，供受信者利用。,信道：信道是传输带有信息的电信号的媒质，它可以是电线，电缆，波导，光导纤维或自由空间。,噪声和干扰源：是信道中的噪声及分散在通信系统中其他各处噪声的集中表示。,9,第二节无线电常识,这里将教材P5页的无线电常识提前介绍,一、电磁波：无线通信的理论基础是电磁波理论,电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。,10,2019/11/27,10,10,电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速c（每秒310的8次方幂）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通,电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。,11,2019/11/27,11,图电磁波波谱,二、无线电波,任何信号都具有一定的频率或波长。无线电波只是一种波长比较长的电磁波,电磁波的波长（或频率）范围不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。无线电波的频率范围为：f=10k-1000GHz；波长=0.3mm-30Km,c=f,12,2019/11/27,12,无线通信系统使用的频率范围很宽阔，从几十千赫兹到几千兆赫兹。习惯上按电磁波的频率范围划分为若干个区段，称作频段，也可以按波段。无线电波在空间传播的速度c=3108m/s，则高频信号的频率f与其波长的关系为式中，f单位取Hz，单位用m。,(12),13,2019/11/27,13,无线电波段：,14,无线电频段：,2019/11/27,14,15,2019/11/27,15,音频（一般发音200HZ1K，海豚音：1.5K）听到20Hz20kHz无线电波：几十KHZ（30MHz）1000MHz,补充常识,16,2019/11/27,16,电视48.5-951.25MHz（38MHz）(CH间隔8MHz)收音机：调频：88-108MHz（10.7MHz）(CH间隔0.1MHz)调幅：530K1600KHz（465KHz）(CH间隔9K)短波：1.6MHZ30MHZ之间，世界上许多国家利用短波频率来进行世界范围的广播传输，,17,一般手机：800/900/1800/1900MHZ,中国移动GSM900上行/下行：890MHz-909MHz/935MHz-954MHzEGSM900上行/下行：885MHz-890MHz/930MHz-935MHz中国铁通GSM-R：885MHz-889MHz/930-MHz934MHz)GSM1800M上行/下行：1710MHz-1725MHz/1805MHz-1820MHz3GTDD(TD-SCDMA)1880MHz-1900MHz和2010MHz-2025MHz中国联通GSM900上行/下行：909MHz-915MHz/954-MHz960MHzGSM1800上行/下行：1745MHz-1755MHz/1840MHz1850MHz3GFDD(WCDMA)上行/下行：1940MHz-1955MHz/2130MHz-2145MHz中国电信CDMA800上行/下行：825MHz-840MHz/870MHz885MHz3GFDD(CDMA2000)上行/下行：1920MHz-1935MHz/2110MHz-2125MHz,18,2019/11/27,18,三、无线电波的传播方式,传播方式有三种,地面波,空间波,天波,地波,和光波一样，无线电波也具有直射、反射、折射等现象。,19,2019/11/27,19,沿地球弯曲表面传播，适用于波长为200m以上的中、长波。,图0.2.5地面波的发射与接收,由于大地表面是导体，当电磁波在其表面传播时，一部分能量将被,损耗掉，且频率越高，趋肤效应越强，损耗越大。故频率更高的电磁波不易沿地面传播，而主要靠电离层。,地面波动画,20,2019/11/27,20,利用电离层的折射与反射，使电磁波到达电离层后，一部分能量被吸收，一部,图0.2.6天波的发射与接收,分被反射、折射到地面。当频率升高时，电磁波被电离层吸收的能量增加，当频率升高超过一定值时，电磁波将会穿过电离层，不再返回地面。所以天波适用于10m-200m的短波。,天波动画,21,2019/11/27,21,图0.2.7空间波的发射与接收,频率更高的电磁波（10m）,不再适用电离层传播，而是沿空间直线传播，即利用直射和反射实现电磁波的传播。但只限于视频距离范围内。通常，50米高的天线通信距离约50公里。,空间波动画,因为c=f，所以f为大于30MHZ,22,2019/11/27,22,提问：大学城原来手机信号差？偏远山区无法接通手机？美国之音（国际台）夜间清晰？发射塔在高处？为什么？,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。,23,2019/11/27,23,图0.2.9无线电波的主要传播方式（a）直射传播（直线波，空间波）;（b）地波传播（地面波）;（c）天波传播;（d）散射传播,24,2019/11/27,24,一、声音是如何传到远方的？,人耳能听到的声音（f=20-20KHz），声波在空气中传播的速度340米秒，且衰减很快。把声音传到远方采用的方法是：将声音变为电信号，将反映声音变化规律的电信号借助非线性电子器件进行变换和处理，由发射机将该信号变为足够强的高频电振荡，由天线变为电信号向媒体辐射。该过程称为发送。传送到远方由接收机接收后，经过与发射相反的变换过程及放大后，再经电声，变换为原声音。该过程称为接收。,调制,解调,第三节无线通信系统（理论基础是什么？）,25,2019/11/27,25,无线电通信的类型很多，可以按传输手段、频率范围、用途等进行分类。如1、按传输手段分类，有短波通信、超短波通信、微波中继通信和卫星通信等；2、按传送信息的类型分类，有模拟通信和数字通信；3、按用途分类，有地面移动通信、航空通信和舰船通信等等。各种不同的通信，其设备的组成、设备的复杂程度都有很大不同，但基本组成不变，如图0.2.1所示。,26,2019/11/27,26,主要由三部分组成：发射装置、接收装置、传输媒质（信道）。关键设备是发射机和接收机。,图0.2.1无线通信系统,27,2019/11/27,27,图0.2.2发送设备框图,发送设备工作原理动画,28,2019/11/27,28,存在问题与解决方法：1、距离远，信号损失放大2、信号多选频3、能量问题（低频信号传不远.200HZ）提高频率（调制）4、天线难做（d=0.1-1有效发射，效率高）提高频率（引入调制）5、频道复用也引入调制（外加载波频率）,无线通信起因：1、隔山隔水，2、远距离，3、铺线困难理论基础：电磁波理论,假设：f=200HZ;=C/f=3108/200=15106m假设：f=2108HZ;=C/f=3108/2108=1.5m；d=0.1=0.15m,29,2019/11/27,29,调制:把要发射的低频信号不失真地“装载”到高频信号上。调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）,调制好比人坐飞机.,30,2019/11/27,30,（A）、交变的电振荡可利用天线向空中辐射出去，但天线长度必须和电振荡的波长差不多。如：音频频率范围20-20kHz语音分布在300-3000Hz；信号波长计算公式（米秒）音频信号波长范围是天线长度大于100km,实际实现太难。(B)、若能发射，因各电台发出的信号均在同一频率范围内，会造成各电台之间的相互干扰。,31,2019/11/27,31,C）、解决方法：把音频信号（调制信号、携有信息的信号）“装载”（调制）到高频振荡（载波）之中，然后由天线向外辐射出去，这种方法叫调制。,待发送的货物,运载工具,2、调制的概念,设：高频振荡即载波：称为载频表示待发送的信号(有用信号、调制信号、音频信号)。,32,2019/11/27,32,振幅调制(AmplitudeModulation)，简称为调幅（AM）,由于调频和调相都使载波的总相角产生变化，故又统称为调角。,根据受控参数不同，调制可分为：,频率调制(FrequencyModulation)，简称调频（FM）,相位调制(PhaseModulation)，简称调相（PM）,33,2019/11/27,33,振荡器产生等幅的高频正弦信号，经过倍频、缓冲和放大后，即成为载波频率信号；然后，载波频率信号被基带信号调制（调频,调相或调幅），产生高频已调信号，最后再经功率放大器放大，获得足够的发射功率，此已调射频信号通过天线转换成电磁波发送到空间。载波频率在适合无线信道传播的频率范围。,34,2019/11/27,34,1、简单收音机（接收机）框图：,图0.2.3简单接收机框图,天线的作用：将接收到的电磁波转换为已调波电流；选择性回路的作用：选频（电台）；同时，将所选电台的已调波电流转换为电压。,检波：调制的逆过程；将已调波电压变换为原来的音频电压（基带信号）。耳机：实现电、声转换。,接收是发送的逆过程,35,2019/11/27,35,实际上的接收机比较复杂，原因是：,A、天线接收的高频无线电信号非常弱，只有几十至几，所以应加高频放大器。,36,2019/11/27,36,B、各电台的载波不同，用同一接收机接收不同电台的信号时，兼顾高低频段放大倍数的调谐困难，所以应加混频器。将接收到的不同载频的电信号转变成为固定的中频信号，即所谓的外差作用。,引入超外差接收机概念：见教材P4,37,2019/11/27,37,D、检波器输出只有几十mV，而推动扬声器需要大功率，因此应加低频放大器（低频功率放大器）。,C、检波器需要较高的推动电压（约500mV），所以应加中频放大器。,38,2019/11/27,38,典型的接收机框图（超外差式）,接收设备工作原理动画,39,2019/11/27,39,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。理解：此中频信号与频段划分中中频的区别。,40,2019/11/27,40,由上面的分析可以总结出无线通信系统的基本组成,（1）高频振荡器-高频信号发生（2）放大器（含选频）（3）混频或变频-变为固定较低频率（4）调制与解调-有效发射与接收混频、调制器和解调器是本课程所讨论的重点。,41,2019/11/27,41,通信系统直接完成信息的传递任务。了解该系统的构成，有利于掌握无线通信的基本原理，以及通信电子线路的组成原理。我们知道，无线通信是将信号从一个地方，经空间传送到另一个地方。为了使我们获取的声音或图像信号，能不失真地传递到其它地方，需要对声音或图像信号做一些处理，使代表这些信息的电信号变换成有利于传输的信号。这就是通信系统的基本功能。,42,2019/11/27,42,信号源,43,2019/11/27,43,通信系统的基本组成方框图如图0.2.8所示。它由输入、输出变换器，发送、接收设备，以及信道组成。输入变换器将要传递的声音或图像消息变换为电信号，该电信号包含了原始消息的全部信息（允许存在一定的误差，或者说信息损失），称为基带信号。输入变换器的输出作为通信系统的信号输入。输出变换器是把接收后的电信号变为原始的声音或图像消息,44,2019/11/27,44,无线通信发送设备是：为将信号从一个地方，经空间不失真地、有效地传送到另一个地方，需要对声音或图像信号做一些处理，才能将代表这些信息的电信号变换成有利于传输的信号的设备。接收设备：将空间有用的微弱电信号有效接收并适当处理的设备。,45,无线电频段与波段：,2019/11/27,45,46,2019/11/27,46,提问：大学城原来手机信号差？偏远山区无法接通手机？实验大楼？美国之音夜间清晰？为什么？,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。,无线电传播特性：,47,2019/11/27,47,图0.2.9无线电波的主要传播方式（a）直射传播（直线波，空间波）;（b）地波传播（地面波）;（c）天波传播;（d）散射传播,48,2019/11/27,48,存在问题与解决方法：1、距离远，信号损失放大2、信号多选频3、能量问题（低频信号传不远.200HZ）提高频率（调制）4、天线难做（有效d=0.11）提高频率（调制）5、频道复用调制（外加载波频率）,无线通信起因：1、隔山隔水，2、远距离，3、铺线困难理论基础：电磁波理论,假设：f=200HZ;=C/f=3108/200=15106m假设：f=2108HZ;=C/f=3108/2108=1.5m；d=0.1=0.15m,49,2019/11/27,49,调制:把要发射的低频信号不失真地“装载”到高频信号上。调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）,调制好比人坐飞机.,50,2019/11/27,50,为什么要解调（最终要得的是低频信号）；如何解调（即有哪三种解调方式检波、鉴频、鉴相）；解调：把基带信号不失真地从高频信号上“卸载”下来,51,2019/11/27,51,基带信号：输入变换器将要传递的声音或图像消息变换为电信号，该电信号包含了原始消息的全部信息，称为基带信号；载波信号：振荡器产生等幅的高频正弦信号，经过倍频器后，即成为载波频率高频信号；已调波信号：载波频率信号被基带信号调制，产生高频已调信号，,其他：原始信号，射频，中频信号,52,2019/11/27,52,高频振荡信号,基带波形,53,2019/11/27,53,图0.2.12调幅发射机方框图,54,2019/11/27,54,可以多级,典型无线通信接收设备：,55,2019/11/27,55,图0.2.14超外差式接收机方框图,图典型调幅收音机方框图和波形示意图