通信电路沈伟慈第一章

第 1 章 绪论 本章主要内容本章主要内容 1 1 通信系统模型通信系统模型 1 1 1 通信系统的基本组成通信系统的基本组成 1 1 2 无线电发射系统的组成及工作原理无线电发射系统的组成及工作原理 1 1 3 无线电接收系统的组成及工作原理无线电接收系统的组成及工作原理 1 1 4 无线电系统的通信方式无线电系统的通信方式 1 2 无线信道及无线电波的传播特性无线信道及无线电波的传播特性 1 3 本课程的主要内容及特点本课程的主要内容及特点 课程名称的说明课程名称的说明 通信电子线路 高频电路 射频电路以及非线性电子线路 等等 高频与射频概念的区别与联系高频与射频概念的区别与联系 高频和射频指的都是适合于无线传输和无线发射的电信号 适合于无线传输和无线发射的电信号 什么电路叫高频呢 高频电路是指能够产生 处理适合于无线传输和无线发射适合于无线传输和无线发射 的电信号的电路 的电信号的电路 高频电路是通信系统 特别是无线通信 系统的基础 是无线通信设备的重要组成部分 无线系统中常用的术语 射频 实际上就是高频的广义语 它指的是适合于无线电发射和传播的频率 Question3 究竟什么是高频和射频的上 下限 Answer 射频 Radio Frequency 广义地来说 没有严格的定义 本课本所研究的是 f 30MHz 的电信号 f 在 30MHz 4G 之 间就是下学期我们将要学习的射频电路 Note 只要电路尺寸小于 就可以用 路 的概念来分析 8 电路 与 路 相对应的 场 将在 电磁波与电磁场 这门课程中学习 值得注意的是 路 用的是克希霍夫方 程 场 用的是麦克斯韦方程 Question4 无线发射 的 物理 含义 Question5 如何才能实现有效发射 Answer4 无线发射 指的是 把高频电流转换成电磁波的形式在 空间传播 高频电流在天线周围激发同频率的交变磁场 交变磁场又 激发起交变电场 交变电场又激发交变磁场 如此反复交 叉激发 使电磁能以波的形式传向远方 电磁场与电磁波的 课程将讨论这部分内容 Note 水波 看得见 碧波荡漾 声波 悠扬的琴声 这 些波的传输 需要媒质 电磁波 看不见 但它客观存在 我们常看到电磁污染 事实上 我们就置身于一个充满电磁波的世界里 手机 广播电视 雷达 导航 遥控 遥测等技术领域 它们的 共同点就是利用电磁波来传递消息 Question 无线电波在真空中传播的速度 在大气层中传播的速度近似等于光速 smc 30 103 8 万公里 可以认为无线电信号 在瞬间即可从接收端达到发送端 通信系统的概念通信系统的概念 传输信息的系统称为通信系统通信系统 通信的任务就是传递各种信息 信息可以是语 言 音乐 文字 图像 数据等 任何一个通信系统 都是从一个称为信息源的 时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息 通信系统是指实现这一通信过程的全部技术设 备和信道的总和 无线通信的发展史无线通信的发展史 1837 年 莫尔斯 Morse 发明了电报 开创了通信的 新纪元 1864 年麦克斯韦 Maxwell 发表了著名论文 电磁 场的动力理论 在总结前人工作的基础上 得出了 电磁场方程 从理论上预言了电磁波的存在 1876 年贝尔 Bell 发明了有线电话 能直接将语音 信号变为电信号沿导线传输 1887 年 德国物理学家赫兹 Hertz 用实验证实了 电磁波的客观存在 验证了麦克斯韦理论的正确性 自此以后 许多科学家都致力于研究如何利用电磁波传 输信息的问题 即无线通信 其中有著名的英国科学家 罗吉 Lodge 法国的勃兰利 Branly 俄国的波波夫 和意大利的马可尼 Marconi 等 其中马可尼的贡献最 为重要 1895 年马可尼首次在几百米距离实现了电磁波通信 1901 年又完成了横跨大西洋的无线电通信 从此无线电通信进入实用阶段 无线电技术也就蓬勃发 展起来了 通信系统的构成通信系统的构成 通信系统种类很多 它们的具体设备和业务功能各不相同 但一个完整通信系统的基 本组成包括 信息源 输入变换器 发送设备 信道 接收设备 输出 变换器和受信者五部分 通信系统的基本组成如图 1 1 所示 1 信息源信息源是指要传送的原始信息 具有各种不同的形式 如 文字 数据 语音 音乐 图像等 一般是非电量 2 输入变换器或换能器输入变换器或换能器 如 话筒 拾音器 摄像机等 将信息源输入待传输的信息转换成相应的电信号 这种包 含消息的电信号称为基带信号 例如 利用话筒可以把话音转换成与之作相应变化的电信号 利用摄像管可把图像信号转 换成与之作相应变化的电信号 3 发射机 发射机 发送设备 将基带信号变换为适合信道传输 的高频电信号 该过程称为调制 发射机的主要任务是调 制和放大 高频已调电信号经过放大后获得足够的功率 然后被送入信道 变换后的高频信号称为已调信号或频带信号 Passband Signal 4 接收机 接收机 接收设备 其功能是从信道接收到的信号恢 复成与发射机输入信号一致的基带信号 因信号经信道传输后 难免有噪声干扰的加入 在接收机 中必须滤除这些干扰 确保通信质量 5 输出换能器 输出换能器 将接收设备输出的电信号还原成原始信息 如声音 图像等 例如 通过耳机或扬声器把代表话音变化的电信号还原为 话音 通过显像管把图像电信号转换成图像信息重现在荧 光屏上 6 噪声源 噪声源 指信道中的噪声及分散在通信系统中所有噪声 的集中表示 7 信道 信道 是连接发 收两端的信号通道 又称传输媒质 通信系统的信道有二大类 有线 架空明线 电缆 波导 光缆 光纤 电话 高 压电线 无线信道 自由空间 如海水 地球表面 自由空间等 不同媒质有不同的传输特性 相同的媒质对于不同频率的 信号 其传输特性有所不同 将在后面讨论 通信系统通常要完成两种重要的变换 通信系统通常要完成两种重要的变换 1 非电信号电信号和电信号非电信号 在发送端 将要传输的非电量信号转换成电信号 转换得 到的电信号一般由零频附件的直流分量和低频信号组成 称为基带信号 Baseband Signal 其特点是频率低 相对 带宽较大 如话音信号带宽 300Hz 3400Hz 波长几百千 米 天线尺寸与波长可比拟难以实现 所以不适合于无线 传输 也不适合于发射 为了实现有效发射和传输就必须 进行调制 2 调制的过程 使高频载波信号的某一参数 幅度 AM 频率 FM 相位 PM 随着要传输的低频电信号而变化 即实现包含消息的低频 信号对高频信号的加载 调制达到的目的 a 天线有效发射 无线通信中的 发射发射 是指把高频电流 转换成电磁波的形式在空间传播 只有馈送到天线上的信 号波长与天线尺寸可以相比拟时 天线才能有效发射 代 表消息的基带信号通常都是低频信号 其波长远远大于天 线尺寸 因此基带电信号电流送到天线上 是不能有效地 转换成辐射到远方的无线电波的 比如 50Hz 的信号 6000 公里 要有效发射 天线长度要几百千米 这样的 天线几乎无法实现 b 实现有效传输 高频具有宽阔的频段 能容纳许多互不干扰的频道 从 而传输某些宽频带信号 我们知道 任何通信系统为了传 递一定的信息必须占据一定的带宽 也就是说 代表消息 的电信号通常都具有复杂的波形 它含有许多频率分量 因而占有一定的频率范围 单纯的正弦波不携带任何信息 要听懂对方的语音需要传递信号的频率 300Hz 3400Hz 这个频段 要传送一个语音信号至少要 3kHz 的频带 普通 电话就是这样设计的 因为电话的声音只能听懂 但不悦 耳 也不能逼真 为了相当逼真的传送语音和音乐信号 需占据 6 15kHz 的带宽 在调频广播中 其信号频率范 围规定为 50Hz 15kHz 这是广播所要求的频率 电视中 的图像信号 波形较复杂 它会有宽广的频率分量 图像 信号占据的带宽为 0 6MHz 一路彩电加上伴音信号要占 据 8MHz 带宽 而一条通信线路一般只能有不超过 10 的 相对带宽 其中为载波频率 越高 则越大 所 0 f f 0 f 0 ff 能容纳的 互不干扰的信息就越多 传输的信息容量就越 大 这就是为什么无线通信要通过调制之后才能进行发射 传输的原因 c 实现信道的复用 提高信道利用率 音频信号的频谱分布几乎在同一范围 都集中在 20Hz 20kHz 如果直接把反映原始信息的电信号通过天线 以辐射电磁波的形式传送 则无法保证同时传送多路信息 而又不相互干扰 并且不利于接收端正确区分二路以上的 信息 因此必须把要传送的信息分开 下述内容作为了解下述内容作为了解 1 在本课程即将学习的 AM FM 中 是通过调制实现频带分 离 这种分离信号的方法称为 FDMA 频分复用 2 另一种方法称为时分复用 TDMA 两个或两个以上的信 号共享相同的频带 但在不同的时间段使用 人耳在接 收时 可以将不同的时间段结合起来 感觉上就像信号 是连续的一样 3 扩展频谱技术称为 CDMA 码分多址 多个用户连续使用 一个较宽的频带 然而每个用户发送和接收数据时 使 用接收的方式进行编码 以便能够和所有其他用户区分 开来 无线电发射系统的组成及工作原理无线电发射系统的组成及工作原理 无线电广播调幅发射系统调幅发射系统应用及其广泛 图 1 2 给出调 幅发射机原理框图 发射机的主要功能功能是调制 上变频 功率放大和滤波 工作原理工作原理 原始信号 语音 图像 数据等 经过换能器转 换为电信号 用该低频基带信号对高频载波进行调制 将 已调波信号经过功率放大器放大后通过天线发射出去 发射机通常由高频 低频 电源和天线 4 部分组成组成 高频部分高频部分包括 主振荡器 master oscillator 由石英晶体振荡器产生频率 稳定的高频振荡 缓冲级 buffer 实质上是一种吸收功率小 工作稳定的 放大级 其作用是减弱后级对主振荡器的影响 倍频器 frequency double 将主振荡器的频率提高到需 要的频率值 高频放大器 amplifier 放大高频信号 以达到推动末级 功率放大器的电平 调制器 modulator 完成低频信号对高频载波信号的加 载 末级功率放大器 power amplifier 将输出功率提高到所 需的发射功率 低频部分低频部分将用于实现声电变换 并将音频信号逐级放大到 调制所需功率 对高频载波进行调制 低频部分包括声电 变换器 话筒 低频放大器 低频功率放大器 直流电源 直流电源 给各部分电路提供直流电能 天线 天线 把高频已调信号转换为空间电磁波辐射出去 无线电接收系统的组成及工作原理无线电接收系统的组成及工作原理 无线电信号的接收过程与发射过程相反 其根本任务 就是准确恢复信息 为了提高灵敏度 目前无线电接收机 都采用超外差式超外差式 系统方框图见图 1 3 无线电接收系统无线电接收系统包括选频回路 高频小信号调谐放大器 混频器 本机振荡器 中频放大器 检波器 低频功放和 喇叭 超外差接收机工作原理 超外差接收机工作原理 收天线收到微弱高频调幅 信号 经输入回路选频后 通过高频放大器放大 送到混 频器与本机振荡器所产生的等幅高频信号进行混频 混频 后得到中频信号的包络形状与天线感应输入的高频信号的 包络完全相同 经中频放大后送到检波器 检出原调制的 低频信号 经功率放大去推动扬声器 超外差接收机 super heterodyne receiver 的主要特点是把天 线感应进来的不同已调波信号的载波频率 通过混频转c f 换为固定中频 intermediate frequency 的已调信号 通常 I f 中频频率要比接收信号频率低得多 我国广播收音机的中频为 465KHz 电视接收机的图像中 频为 38MHz 由于中频频率是较低的固定中频 中频放大 器的谐振回路在接收机选频时不需要调整 显著提高了接 收机整机的选择性和灵敏度 这是无线电设备中的接收机 都要用超外差组成方式的原因 无线电系统的通信方式无线电系统的通信方式 如果通信只在点与点之间进行 那么按消息的传送方向与 时间 通信的方式可分为单工通信 半双工通信及全双工 通信三种 单工通信单工通信是指消息只能单方向进行传输的工作方式 如 图 1 4 a 所示 如广播 遥控就是单工通信方式 半双工通信半双工通信方式是指通信双方都能收发信息 但收和发 不能同时进行的工作方式 如图 1 4 b 所示 使用同一载频工作的对讲机就是按这种通信方式工作的 当一方占用载频发送信息时 另一方只能接收信息 全双工通信全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输消息的工 作方式 如图 1 4 c 所示 普通电话就是最简单的全双 工通信方式 无线信道及无线电波的传播特性无线信道及无线电波的传播特性 无线通信信道主要是自由空间 由于地球表面及空间层的 环 境条件不同 发射的无线电波因其频率或波长不同 传播 特性也不相同 传播特性传播特性指的是无线电信号的传播方式 传播距离 传播 特点等 决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率 不同频段的无线电信号都各自有最适宜的传播方式 而传 播方式 又决定了其传播距离和传播特点 无线电波的传播方式主要有绕射 地波 传播 折射和反 射 天波 传播 直射 视距 传播及散射传播 图 1 5 给出无线电波的几种主要传播方式 1 绕射 地波 传播绕射 地波 传播 f 1 5MHz 电磁波主要沿地表面波传播 称地波 如图 1 5 a 所示 大地是个导体 但不是理想导体 当电磁波沿其表面传播 时 有部分能量被损耗掉 f 越高 趋肤效应越严重 损耗 越大 因此 频率较高的电磁波不宜采用绕射方式 不宜 沿地面传输 最适宜于采用地面波传播方式的是长波和中长波和中 波波 优点 地球的地貌和导电性短时间不会变化 故地面波传 播特性稳定 可靠 主要应用 无线电导航 中波无线电通信和中波广播 2 折射和反射 天波 传播折射和反射 天波 传播 1 5MHz 30MHz 主要靠电离层折射 称为天波 天波 通过高空电离层的折射和反射返回地面的无线电波 叫天波 如图 1 5 b 所示 电离层离地面约 60 450Km 被电离了的大气层 当无线电 波到达电离层 一部分能量被电离层吸收后损失 另一部 分能量被电离层反射和折射回地面 一般 f 在电离层中 被吸收的能量越少 但随着 f 越高 无线电波穿入电离层 越深 当频率超过一定值后 无线电波将穿透电离层 最适宜于天波传播方式的是短波波段最适宜于天波传播方式的是短波波段 5MHz 5MHz 30MHz 30MHz 由于 受太阳照射的影响 电离层的高度 密度都在发生变化 这是造成短波波段采用天波传播不稳定的原因 现象 接受短波时 声音忽大 忽小 有时甚至完全收听 不到 优点 传播的距离很远 主要应用 主要应用 远距离无线电广播 短波无线电通信 国际无 线电广播都采用天波传播 3 直射 视距 传播 空间波 直射 视距 传播 空间波 空间波 直射波传播 电波从发射天线出发 沿直线传播 到接收天线的传输方式称为直射传播 空间波 如图 1 5 c 所示 对于频率在 30MHz 以上 进入米波 分米波 厘米波波段 以地面波方式传播衰减极大 以天波方式传播将穿透电离 层不能返回地面 只能以空间波方式在视距范围内传播 由于地球表面是弯曲的 空间波的传播受限于视距范 围 天线越高 传输距离越远 几十米高的铁塔 通信距 离为 50km 60km 克服视距传播 微波中继通信 卫星 通信 4 4 散射传播散射传播 对流层 对流层 在离地面大约 10km 13km 的范围内的大气层叫对 流层 该层空气密度较高 所有的大气现象 如风 雨 雷 电等 都发生在这一层 散射 散射 对流层中存在各种不同尺度的非均匀介质体 当无 线电波辐射到这种不均匀介质体上时 它将入射波的能量 向四面八方辐射 称之为散射 利用高空对流层介质不均匀体对无线电波的散射作用进行 传播的方式 叫散射通信 图 1 5 d 给出散射传播示意 图 对散射作个比喻 东方鱼肚白 是大气对阳光的散射作用 散射传播主要发生在 400MHz 10000MHz 属于超短波和微 波范围 对流层散射传播的通信距离大约为 100km 500km 电磁波经对流层散射后能量损失很大 所 以对流层散射通信要求使用大功率的发射机 高灵敏度的 接收机和方向性强的天线 Question7 为什么在无线电技术中 大都利用无线电传播 而无线电传播一般都采用高频 射频 Answer 主要原因有两个 1 高频适合于无线辐射 从而在空中产生无线电波 只有当无线的尺寸大到可以与要发射电磁波的波长相 比拟时 天线的辐射效率才会较高 从而实现以较小的信 号功率传播较远的距离 接收天线才能有效地接收信号 50Hz 的信号 6000 公里 要有效发射 天线可能 得架到航母上 2 高频具有宽阔的频段 能容纳许多互不干扰的频道 从 而传输某些宽频带信号 我们知道 任何通信系统为了传递一定的信息必须占据 一定的带宽 也就是说 代表消息的电信号通常都具有复 杂的波形 它含有许多频率分量 因而占有一定的频率范 围 20Hz 20k 单纯的正弦波不携带任何信息 要听懂对 方的语音需要传递信号的频率 300Hz 3400Hz 这个频段 要传送一个语音信号至少要 3kHz 的频带 普通电话就是这 样设计的 因为电话的声音只能听懂 但不悦耳 也不能 逼真 为了相当逼真的传送语音和音乐信号 需占据 6 15kHz 的带宽 在调频广播中 其信号频率范围规定为 50Hz 15kHz 这是广播所要求的频率 电视中的图像信号 波形较复杂 它会有宽广的频率分 量 图像信号占据的带宽为 0 6MHz 一路彩电加上伴音 信号要占据 8MHz 带宽 为了与话音信号相区别 常称它为视频信号 总结 代表息消息的电信号的一个基本特征时它占据一定的频 率范围 而且消息信号频谱的低端都伸展到很低的频率范 围 如果要传输几千路电话 几十路电视 需占据的频带便 是吉赫兹 频率的单位 Hz kHz MHz GHz THz Hz 3 10Hz 6 10Hz 9 10Hz 12 10 根据目前的通信水平 一条通信线路只能有不超过 10 的相对带宽 0 f f 载频越高 则越宽 信息量就越大 从而可容纳许多互 0 ff 不干扰的信道 这就是为何无线通信不断向高端发展的原 因 Question8 为什么无线电传播都要高频 Answer 高频适合于无线辐射 高频具有宽阔的频段 一条通信线路一般只能有不超过 10 的相对带宽 其 0 f f 中为载波频率 越高 越高 所能容纳的 互不干扰 0 f 0 ff 的信息就越多 传输的信息容量就越大 这就是无线通信 不断向高端发展的原因 新一代的 GSM 频段已经从 900MHz 频段到 1700MHz 1800MHz 电磁波谱 1 3 3 电磁波的波谱 无线电波 0 8 m 1 7 m 光纤通信 无线通信中赖以传 递消息的电磁波 教材 P3 给出的频段的划分 红外线 可 见光 紫外线 X 射线 伦琴射线 射线 目前 广播的频段 535kHz 1605kHz 短波 2MHz 24MHz 调频 88MHz 108MHz 激光的基频 比微波频率 f 300MHz 300GHz 高Hz1010 1513 倍 通信容量比微波已宽了几万倍 54 1010 无线电波是无线电技术邻域中 赖以传递消息的电磁波 频率较光波略低的电磁波 这一频率被划分为许多波段 表 1 1 波段频段频率范围用途 超长波VLF 甚低频 3Hz 30kHz音频 电话 数据通信 长波LF 低频 30 kHz 300kHz 导航 信标 电力线通信 中波MF 中频 300 kHz 3MHz AM 广播 业 余无线电 短波HF 高频 3MHz 30M Hz 移动电话 短波广播 米波 超外波 VHF 甚高频 30MHz 300 MHz FM 广播 TV 导航 移动通信 分米波UHF 超高频 300MHz 30 GHz TV 遥控 遥测 雷达 移动通信 厘米波SHF 特高频 3GHz 30GH z 微波通信 卫星通信 雷达 毫米波EHF 极高频 30GHz 300 GHz 微波通信 雷达 射电 天文 目前无线电广播常用的无线电波的波段 MHz108MHz88 MHz24MHz2 kHz1605kHz535 调频广播 短波广播 中波广播 电视使用的频率 包括 958MHzMHz47056 MHz223MHz167126 MHz92MHz 5 4851 12 个频道 其频率范围为该区有 特高频区 频道 频道 个频道 频率范围该区有 甚高频区 UHF VHF 1 3 4 调幅发射机与超外差接收机 在超外差收音机中 中频频率选得要比接收信号频率低 得多 我国广播收音机的中频为 465kHz 电视机的图像中 频为 38MHz 由于中频频率是较低的固定中频 中频放大器的谐振 回路在接收机选频时不需要调整 因而谐振回路的选择性 通频带都可以做的比较好 中频放大器的 频率 放大器 也比高频放大器的高 特点 把在不同载波频率上工作的高频已调信号经混 频后转换为固定中频的已调信号 经放大 选择后 再进 行检波 显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度 这是 无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因 1 3 5 电信号的表示方法 时间特性 无线电信号表示为电压或电流的时间函数 通常用时域波形和数学表达式来描述 无线电信号的时间 特性就是信号随时间变化快慢的特性 频率特性 简单信号 正弦波 周期性方波 用时间特性 表示较方便 而对于一些复杂信号 如话音信号 图像信号 等 用频谱分析法较为方便 我们知道 任何形式的信号都可以分解为许多不同频 率 不同幅度的正弦信号之和 周期信号 可以表示为许多离散的频率分量 各分量间或 谐频关系 基波分量 幅度最大 随谐波次数增加 功率减少 非周期信号 可以用傅立叶变换的方法分解为连续谱 信号为连续谱的积分 频谱特性分为 相频特性 幅频特性 分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况