通信电路复习知识点PPT课件

第0章绪论 1 调制 解调的概念 调制的原因 调制 指用原始电信号去控制高频振荡信号灯某一参数 使之随原始电信号的变化规律而变化 解调是从高频已调波中恢复出原来的调制信号 调制的原因 1 信号不调制进行发射天线太长 无法架设 2 信号不调制进行传播会相互干扰 无法接收 未经调制的高频振荡信号称为载波信号 低频电信号称为调制信号 经过调制并携带有低频信息的高频振荡信号称为已调波信号 1 振幅调制 用基带信号去改变高频振荡信号的振幅 则称为振幅调制 简称调幅 AM 频率调制 用基带信号去改变高频振荡信号的频率 则称为频率调制 简称调频 FM 相位调制 用基带信号去改变高频振荡信号的相位 则称为相位调制 简称调相 PM 第0章绪论 2 调制分类 2 发送设备 3 无线电通信系统组成 第0章绪论 3 接收设备 3 无线电通信系统组成 第0章绪论 4 无线电波段的划分表 5 第1章基础知识 1 阻抗转换的串 并联转换 2 LC并联谐振回路 4 放大器信噪比 噪声系数NF的定义 3 阻抗变换电路 重点 6 2 阻抗转换的串 并转换 由图可得 要使 必须满足 7 回路品质因素Q值 衡量损耗的指标 的定义 电抗消耗的功率与电阻消耗的功率之比 可知 1 1 5 将式 1 1 5 代入式 1 1 3 和 1 1 4 可以得到下述统一的阻抗转换公式 同时也满足式 1 1 1 和 1 1 2 当Q 1时 则简化为 8 1 1 1选频特性 图1 1 2LC并联谐振回路 ge0和Re0分别称为回路谐振电导和回路谐振电阻 9 2 回路空载时阻抗的幅频特性和相频特性 1 1 10 1 回路总导纳 1 1 12 10 4 谐振频率 5 回路空载Q值 1 1 13 1 1 14 3 回路谐振电导 1 1 11 11 由N f 定义可知 它的值总是小于或等于 6 归一化谐振曲线 谐振时 回路呈现纯电导 且谐振导纳最小 或谐振阻抗最大 1 1 15 谐振曲线的定义 回路电压U与外加信号源频率之间的幅频特性曲线 谐振时 回路电压U00最大 任意频率下的回路电压U与谐振时回路电压U00之比称为归一化谐振函数 用N f 表示 N f 曲线又称为归一化谐振曲线 12 图1 1 3归一化谐振曲线 13 7 通频带 选择性 矩形系数 LC回路的越大 谐振曲线越尖锐 选择性越好 可得 通频带 为了衡量回路对于不同频率信号的通过能力 定义归一化谐振曲线上所包含的频率范围为回路的通频带 又称为带宽 用 或 表示 在图上 取 14 即 1 1 20 1 1 21 式 1 1 20 减去式 1 1 21 可得 所以 1 1 22 15 16 图1 1 5并联谐振回路的阻抗特性 17 1 1 2阻抗变换电路 1 阻抗变换电路 是一种将实际负载阻抗变换为前级网络所要求的最佳负载阻抗的电路 阻抗变换电路对于提高整个电路的性能具有重要作用 2 信号源内阻Rs和负载电阻RL对谐振回路的影响 图1 1 6并联谐振回路与信号源和负载的连接 18 1 回路总电导 2 回路空载Q值为 3 回路有载Q值为 4 频带为 19 结论 Rs和RL的接入降低了回路的Q值 回路通频带越宽 选择性越差 信号源和负载的电抗值将影响到LC谐振回路的谐振频率 Rs和RL不匹配在RL上获得的功率会很小 利用阻抗变换电路来克服 产生的不利影响 1 纯电感或纯电容阻抗变换电路1 自耦变压器阻抗变换电路 20 设初级线圈与抽头部分次级线圈匝数之比N1 2 n 接入系数 则有 因为 21 所以 1 1 28 结论 可通过改变自耦变压器的变比n来改变RL等效到初级回路后的阻值R L 从而改变RL对回路的影响 n越小 则R L越大 对回路的影响越小 改变n可使R L等于信号源内阻RS 从而达到阻抗匹配 22 2 变压器阻抗变换电路 1 1 29 23 3 电容分压式阻抗变换电路 24 1 1 30 其中n是接入系数 在这里总是小于 如果把RL折合到回路中1 2两端 则等效电阻为 1 1 31 25 4 电感分压式阻抗变换电路 1 1 32 其中n是接入系数 在这里总是小于 等效电感L L1 L2 26 1 3 5噪声系数信噪比 指四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比 信噪比SNR SignaltoNoiseRatio 通常用分贝数表示 通常写成 其中 Ps Pn分别为信号功率与噪声功率 噪声系数定义实际放大器内部会产生热噪声和散弹噪声 所以输出信噪比总是小于输入信噪比 为了衡量放大器噪声性能的好坏 提出了噪声系数这一性能指标 27 放大器的噪声系数NF NoiseFigure 定义为输入信噪比与输出信噪比的比值 即 如果用分贝数表示 则写成 从式 1 3 13 可以看出 NF是一个大于或等于 的数 其值越接近于 则表示该放大器的内部噪声性能越好 28 第2章高频小信号放大电路 1 谐振放大器 重点 29 2 2谐振放大器 谐振放大器的主要性能指标是电压增益 通频带 矩形系数和噪声系数 本节仅分析由晶体管和LC回路组成的谐振放大器 图2 2 1晶体管共发射极Y参数等效电路 1 晶体管双口网络的Y参数等效电路 30 其中 输入导纳为 反向传输导纳为 正向传输导纳为 输出导纳为 2 2 1 yre是谐振放大器自激的根源 31 2 高频对Y参数的影响 结电容存在 使 为复数 yie gie j Cieyoe goe j Coeyfe yfe feyre yre re 2 2 2 2 2 3 说明 由于yre的存在 使输入导纳与yre及其它参数有关 32 2 2 1单管单调谐放大器 高频小信号放大电路 1 电路组成及特点 图2 2 2高频小信号放大电路 电路特点 采用LC并联谐振回路作为晶体管集电极的负载 具有选频和放大作用 33 电路性能分析 忽略yre的影响 2 2 4 我们先求与的关系式 然后再求出与关系 即可导出与之比 即电压增益 1 放大器的电压增益 34 设从集电极和发射极之间向右看的回路导纳为 则 2 2 5 由于是上的电压 且与相位相反 因此 2 2 6 2 2 7 2 2 8 35 将式 2 2 8 和 2 2 9 代入式 2 2 4 可得 2 2 9 2 2 10 2 2 11 其中 是等效到谐振回路两端的导纳 它包括回路本身元件 e0和负载导纳总的等效值 即 36 根据式 2 2 2 将式 2 2 11 代入式 2 2 10 中 则 其中 与 分别为谐振回路总电导和总电容 2 谐振频率 或 37 3 回路有载Q值 2 2 14 4 回路通频带即放大器带宽 以上几个公式说明 考虑了晶体管和负载的影响之后 放大器谐振频率和Q值均有所变化 2 2 15 38 5 谐振频率处放大器的电压增益 其电压增益振幅为 根据N f 定义和式 2 2 10 可写出放大器电压增益振幅的另一种表达式 即 2 2 18 2 2 17 2 2 16 39 6 单管单调谐放大器的单位谐振函数 2 2 19 由于yfe是复数 有一个相角 fe 因此一般来说 图2 2 2所示放大器输出电压与输入电压之间的相位并非正好相差180 另外 由上述公式可知 电压增益振幅与晶体管参数 负载电导 回路谐振电导和接入系数有关 40 结论 1 为了增大Au0 应选取 yfe 大 goe小的晶体管 2 为了增大Au0 要求负载电导gL小 如果负载是下一级放大器 则要求其gie小 3 回路谐振电导ge0越小 Au0越大 而ge0取决于回路空载Q值Q0 与Q0成反比 4 Au0与接入系数n1 n2有关 但不是单调递增或单调递减关系 由于n1和n2还会影响回路有载Q值Qe 而Qe又将影响通频带 所以n1与n2的选择应全面考虑 选取最佳值 实际放大器的设计是要在满足通频带和选择性的前提下 尽可能提高电压增益 41 在单管单调谐放大器中 选频功能由单个并联谐振回路完成 所以单管单调谐放大器的矩形系数与单个并联谐振回路的矩形系数相同 其通频带则由于受晶体管输出阻抗和负载的影响 比单个并联谐振回路要宽 因为有载Q值小于空载Q值 42 第3章高频功率放大电路 1 丙类谐振功率放大电路工作原理 2 负载特性 放大特性 基极调制特性 集电极调制特性 重点 43 作用 获得足够大的高频输出功率特点 工作频率高 相对频带窄放大器一般工作在丙类工作状态 属于非线性电路采用LC谐振回路作为选频网络不能用线性等效电路分析 一般采用图解法和折线法分析 3 1概述 44 功率放大器按工作状态分类 A 甲类 晶体管在信号的整个周期内均导通 即导通角为180 B 乙类 晶体管在信号的正半周或负半周导通 即导通角 90 AB 甲乙类 晶体管导通时间大于半个周期且小于周期 导通角90 180 C 丙类 晶体管导通时间小于半个周期 即导通角 90 D类 E类及S类等开关功率放大器 3 1概述 45 3 2 1工作原理图3 2 1是谐振功率放大电路原理图 3 2丙类谐振功率放大电路 谐振功率放大器的工作原理是 当输入信号为余弦波时 其集电极电流为周期性尖顶余弦脉冲波 由于集电极负载的选频作用 输出的是与输入信号频率相同的余弦波 46 假定输入信号是正弦波 输出选频回路调谐在输入信号的相同频率上 根据基尔霍夫电压定律 可得到以下表达式 3 2 1 频率为 0的正弦波 3 2 2 47 3 2 3 3 2 4 3 2 5 可得 集电极电源提供的直流功率PD 谐振功放输出交流功率Po 集电极功耗PC 集电极效率 48 1 小信号谐振放大器的作用是选频和放大 它必须工作在甲类工作状态 而谐振功率放大器为了提高效率 一般工作在丙类状态 2 两种放大器的分析方法不同 前者输入信号小采用线性高频等效电路分析法 而后者输入信号大采用折线分析法 小信号谐振放大器与谐振功率放大器的主要区别是什么 49 若丙类谐振功放的输入是振幅为Ubm的单频余弦信号 那么输出单频余弦信号的振幅Ucm与Ubm有什么关系 Ucm的大小受哪些参数影响 3 2 2性能分析 由式 3 2 1 3 2 2 和 3 2 6 可以看出 当晶体管确定以后 Ucm的大小与UBB UCC R 和Ubm四个参数有关 50 高频功放的工作状态 高频功放的三种工作状态 欠压状态 临界状态 饱和状态 欠压状态 在晶体管工作期间 在导通的时候 一直工作在放大区 临界状态 在晶体管导通期间 正好到达饱和区 但是没进饱和区 过压状态 在晶体管导通期间 进入到了饱和区 51 图3 2 7谐振功放的负载特性曲线 52 图3 2 8放大特性分析 53 图3 2 9基极调制特性 54 图3 2 10集电极调制特性 55 根据以上对丙类谐振功放的性能分析 可得出以下几点结论 1 若对等幅信号进行功率放大 根据负载特性 应使功放工作在临界状态 此时输出功率最大 效率也接近最大 比如对第7章将介绍的调频信号进行功率放大 2 若对非等幅信号进行功率放大 根据放大特性 应使功放工作在欠压状态 但线性较差 若采用甲类或乙类工作 则线性较好 比如对第6章将介绍的调幅信号进行功率放大 4 小结 56 3 丙类谐振功放在进行功率放大的同时 也可进行振幅调制 若调制信号加在基极偏压上 功放应工作在欠压状态 若调制信号加在集电极电压上 功放应工作在过压状态 4 回路等效总电阻R 直接影响功放在欠压区内的动态线斜率 对功放的各项性能指标关系很大 在分析和设计功放时应重视负载特性 57 第4章正弦波振荡器 1 反馈振荡过程及其其中的三个条件 2 反馈振荡电路的判断方法 重点 3 互感耦合振荡器 4 三点式振荡器电路组成法则 电容三点式电路 58 I 基本原理 利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡 这就是反馈振荡器的基本原理 反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路 1 反馈振荡过程与振荡条件 其中主网络一般由放大器组成 反馈网络一般由无源器件组成 而选频网络或位于主网络中 或位于反馈网络中 第4章正弦波振荡器 59 1 反馈振荡过程与振荡条件 II 稳定振荡的三个条件 起振条件 保证接通电源后能逐步建立起振荡 平衡条件 保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态 稳定条件 保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏 60 1 起振过程与起振条件 开环增益 II 起振条件 4 2 3 4 2 4 4 2 5 振幅起振条件 相位起振条件 在 处断开 并定义环路增益 其中 分别是反馈电压 输入电压 主网络增益和反馈系数 均代表复数 61 平衡过程与平衡条件 4 2 6 I 平衡条件 振幅平衡条件 相位平衡条件 4 2 7 4 2 8 图4 2 4满足起振和平衡条件的环路增益特性 II 满足平衡条件环路增益特性 62 平衡状态的稳定性和稳定条件 I 振幅稳定条件 4 2 9 图4 2 4满足起振和平衡条件的环路增益特性 63 4 2 10 II 相位稳定条件 图4 2 5满足相位稳定条件的相频特性 64 4 2 3反馈振荡电路判断 根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振 平衡和稳定三个条件 判断一个反馈振荡电路能否正常工作需考虑以下几点 65 选频网络应具有负斜率的相频特性 因为在振荡频率点附近 可以认为放大器件本身的相频特性为常数 而反馈网络通常由变压器 电阻分压器或电容分压器组成 其相频特性也可视为常数 所以相位稳定条件应该由选频网络实现 以上第 点可根据直流等效电路进行判断 其余3点可根据交流等效电路进行判断 注意 LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率 而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率 66 例4 1判断图例4 1所示各反馈振荡电路能否正常工作 其中 a b 是交流等效电路 c 是实用电路 图例4 1 67 4 3LC振荡器 I 电路结构 4 3 1互感耦合振荡器 II 特点 频率稳定度不高 只适用于较低频段 波形不理想 放大部分是以LC并联谐振回路作为集电极负载的选频放大器 而反馈则是利用变压器的次级将信号送回到基极 68 4 3LC振荡器 分析步骤 1 主网络增益A 0 必须大于1 至少有一级是共射电路或共基电路 2 选频网络应具有负斜率的相频特性 3 利用瞬时极性法判断电路是否引入正反馈 69 4 3 2三点式振荡器 电路组成法则 I 原理图 II 分析 三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器 70 组成法则 在三点式电路中 LC回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质 另外一个电抗元件必须为异性质 这就是三点式电路组成的相位判据 或称为三点式电路的组成法则 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路 称为电容三点式电路 也称为考毕兹电路 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路 称为电感三点式电路 也称为哈特莱电路 71 组成法则 在三点式电路中 LC回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质 另外一个电抗元件必须为异性质 这就是三点式电路组成的相位判据 或称为三点式电路的组成法则 无论是电容三点式还是电感三点式 晶体管c b极之间的三个电抗元件均组成了一个并联LC回路 其输入是晶体管集电极电流 输出是回路两端电压在Xbe上的分压 反馈到输入端 故分析时应该考虑其阻抗特性 由于并联LC回路的阻抗特性是负斜率 因此三点式电路组成法则也满足相位稳定条件 72 2 电容三点式电路 又称考毕兹电路 Coplitts 图4 3 3电容三点式振荡电路 73 图4 3 4电容三点式振荡器的交流等效电路 混合 型等效电路 74 I a b 接入系数 其中 因为re Re 75 II b c 76 因为 所以环路增益 振荡角频率 由此可求得振幅起振条件为 77 即 其中 本电路的反馈系数 F的取值一般为1 8 1 2 4 3 1 4 3 2 78 1 普通调幅方式 双边带调幅方式及其解调方法 2 高电平调幅电路 重点 3 包络检波产生惰性失真 底部切割失真的原因 4 混频原理及特点 第6章模拟调幅 检波与混频电路 79 1 调制 是在发射端将调制信号从低频段变换到高频段 便于天线发送或实现不同信号源 不同系统的频分复用 2 解调 是在接收端将已调波信号从高频段变换到低频段 恢复原调制信号 3 分类 脉冲调制 脉幅调制 PAM 脉宽调制 PDM 和脉位调制 PPM 正弦波调制 调幅 AM 调频 FM 和调相 PM 第6章模拟调幅 检波与混频电路 80 6 2 1普通调幅方式 6 2振幅调制与解调原理 振幅调制可分为 普通调幅 AM 双边带调幅 DSB AM 单边带调幅 SSB AM 残留边带调幅 VSB AM 和正交调幅 QAM 1 普通调幅信号的表达式 波形 频谱和功率谱 定义 普通调幅方式是用低频调制信号去控制高频正弦波 载波 的振幅 使其随调制信号波形的变化而呈线性变化 81 载波 6 2 1 振幅 调制信号 普通调幅 AM 信号 其中调幅指数 0 Ma 1 k为比例系数 82 普通调幅信号的包络 由 6 2 1 式有 83 频谱 式 6 2 1 又可以写成 6 2 3 uAM t 的频谱 c 载波 c 上边频 和 c 下边频 原调制信号 频带宽度 或 F 普通调幅信号 频带宽度2 或2F 84 设负载电阻为R 由式 6 2 3 可知 两个边频分量产生的平均功率相同 均为 调幅信号总平均功率为 6 2 4 6 2 5 6 2 6 功率 载频分量产生的平均功率为 理想情况下 Ma 1 携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一 85 第6章模拟调幅 检波与混频电路 1 普通调幅信号的解调方法 普通调幅信号的解调方法有包络检波与同步检波 包络检波只能解调普通调幅信号 适用于大信号工作条件 同步检波必须采用一个与发射端同频同相 或固定相位差 的本地载波 86 6 2 2双边带调幅方式 其中k为比例系数 可见双边带调幅信号中仅包含两个边频 无载频分量 其频带宽度仍为调制信号带宽的两倍 6 2 10 1 双边带调幅信号的特点 载波 uc t Ucmcos ct 单频调制信号 u t U mcos t c 双边带调幅信号为 87 双边带调幅信号的包络 88 调制方法 将调制信号与载波信号相乘 2 双边带调幅信号的产生与解调方法 解调方法 同步检波是进行双边带调幅信号解调的主要方法 89 丙类谐振功放的调制特性分为基极调制特性和集电极调制特性两种 据此可以分别组成基极调幅电路和集电极调幅电路 现以集电极调幅电路为例 说明高电平调幅的原理 6 3 1高电平调幅电路 1 集电极调制特性 若固定丙类谐振功放的UBB和R 当输入一个等幅高频正弦波 uc 时 输出高频正弦波的振幅Ucm将随集电极电源电压UCC的变化而变化 第6章模拟调幅 检波与混频电路 90 2 集电极调幅 图6 3 1集电极调幅电路原理 输入信号为高频载波cos ct 集电极电源电压 UCC t UCC0 u t 则输出信号可写成 uo t Ucmcos ct k UCC0 u t cos ct 91 可见 集电极调幅电路可以产生且只能产生普通调幅波 但必须工作在过压状态 优点 调幅 功放合一 整机效率高 可直接产生很大功率输出的调幅信号 基极调幅电路必须工作在欠压区 92 6 4 1包络检波电路 6 4检波电路 图6 4 1二极管峰值包络检波器 非线性器件 二极管或三极管 RC低通滤波器 93 图6 4 3惰性失真波形图 3 惰性失真 94 在调幅波包络线下降部分 若电容放电速度过慢 导致uo的下降速率比包络线的下降速率慢 则在紧接其后的一个或几个高频周期内二极管上为负电压 二极管不能导通 造成uo波形与包络线的失真 由于这种失真来源于电容来不及放电的惰性 故称为惰性失真 要避免惰性失真 就要保证电容电压的减小速率的绝对值在任何一个高频周期内都要大于或等于包络线下降速率的绝对值 3 惰性失真 95 上式又可写成 式 6 4 5 即为避免惰性失真应该满足的条件 可见 调幅指数越大 调制信号的频率越高 时间常数RC的允许值越小 6 4 5 96 4 底部切割失真 直流电压上迭加了交流调制信号 隔直流 下一级负载 为了有效地将检波后的低频信号耦合到下一级电路 要求耦合电容Cc的容抗远远小于RL 所以Cc的值很大 97 uo中的直流分量几乎都落在Cc上 这个直流分量的大小近似为输入载波的振幅Uim Cc可等效为一个电压为Uim的直流电压源 此电压源在R上的分压为 这意味着检波器处于稳定工作时 其输出端R上将存在一个固定电压UR 98 当输入调幅波ui t 的值小于UR时 二极管将会截止 也就是说 电平小于UR的包络线不能被提取出来 出现