高频电子电路第一章

1、刘伟信息工程学院 电子教研室教1楼417email： 本章内容本章内容1.1 1.1 通信系统的概念通信系统的概念1.2 1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性1.3 1.3 无线电波的频段划分无线电波的频段划分1.4 1.4 调制的通信系统调制的通信系统 返回总目录返回总目录1.5 1.5 数字通信系统数字通信系统1.6 1.6 现代通信系统现代通信系统本章重点与难点本章重点与难点 （一）本章重点（一）本章重点 通信系统的概念；通信系统的概念； 无线电波的传输特性；无线电波的传输特性； 调制的通信系统；调制的通信系统； 无线电广播调幅发射机和超外差无线电广播调幅发射机和超外差 接收机；

2、接收机； （二）本章难点（二）本章难点 调制的通信系统调制的通信系统n通信的任务就是传递各种信息（包括语通信的任务就是传递各种信息（包括语言、音乐、文本、图像和数据等），言、音乐、文本、图像和数据等）， 传输信息的系统称为传输信息的系统称为“通信系统通信系统”。n一个完整的通信系统应包括那几部分组一个完整的通信系统应包括那几部分组成呢成呢? ? 现以大家熟知的无线电广播发送系统和现以大家熟知的无线电广播发送系统和超外差式接收机为例进行分析。超外差式接收机为例进行分析。1.1 1.1 通信系统的概念通信系统的概念一、一、 无线电广播发送系统无线电广播发送系统高频部分有：高频部分有： 主振级主振级

3、由石英晶体振荡器产生频率稳定由石英晶体振荡器产生频率稳定 度高的载波；度高的载波； 缓冲级缓冲级实质上是一种吸收功率小，工作实质上是一种吸收功率小，工作 稳定的放大级，其作用是减弱后稳定的放大级，其作用是减弱后 级对主振级的影响；级对主振级的影响； 倍频器倍频器将载波频率提高到需要的频率值；将载波频率提高到需要的频率值； 高频放大器高频放大器高频放大以提高输出功率；高频放大以提高输出功率； 它由高频、低频和电源三大部分组成它由高频、低频和电源三大部分组成 调制器调制器其功能是使高频载波信号幅度其功能是使高频载波信号幅度按低频信号大小变化的幅度调制，按低频信号大小变化的幅度调制，然后经然后经发射

4、天线以电磁波形式向远方辐射。发射天线以电磁波形式向远方辐射。 低频部分有：话筒（或录音带等）、低频低频部分有：话筒（或录音带等）、低频电压放大器、低频功率放大器。电压放大器、低频功率放大器。 这样将使低频电信号通过逐级放大获得这样将使低频电信号通过逐级放大获得所需的功率电平，然后对高频（载波）进所需的功率电平，然后对高频（载波）进行调幅。行调幅。 二二 、超外差式接收机、超外差式接收机n从接收天线收到微弱高频调幅信号经从接收天线收到微弱高频调幅信号经输入输入回路选频后回路选频后，通过，通过高频放大器放大高频放大器放大，送到，送到混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信混频器与本机振荡器所产生的等幅

5、高频信号进行号进行混频混频，在其输出端得到波形包络形，在其输出端得到波形包络形状与输入高频信号的波形相同，但频率由状与输入高频信号的波形相同，但频率由原来高频变化为原来高频变化为中频的调幅信号，经中频中频的调幅信号，经中频放大后放大后送到送到检波器检波器，检出原调制的低频信检出原调制的低频信号，号，然后再经过低频放大，最后从扬声器然后再经过低频放大，最后从扬声器还原成原来的声音信息（语言或音乐）。还原成原来的声音信息（语言或音乐）。 一个完整的通信系统应包括信息源、发送设一个完整的通信系统应包括信息源、发送设备、传输信道、接收设备和收信装置五部分。备、传输信道、接收设备和收信装置五部分。n信息

6、源信息源是指要传送的原始信息，如文字、数据、是指要传送的原始信息，如文字、数据、语音、音乐、图像等，一般是非电量。对于非语音、音乐、图像等，一般是非电量。对于非电量信号，经输入变送器变换为电信号（例如电量信号，经输入变送器变换为电信号（例如被传输的是声音信息就需先经声被传输的是声音信息就需先经声电换能器电换能器话筒，变换为相应信号的电信号）。如果输入话筒，变换为相应信号的电信号）。如果输入信息本身就是电信号（如计算机输出的二进制信息本身就是电信号（如计算机输出的二进制信号）时，可以直接送到发送设备。信号）时，可以直接送到发送设备。n发送设备发送设备是将电信号变换为适应于信道传输特是将电信号变换

7、为适应于信道传输特性的信号的一种装置。性的信号的一种装置。一个完整的通信系统包括五部分一个完整的通信系统包括五部分n接收设备接收设备的功能和发送设备相反，它是将的功能和发送设备相反，它是将信道传输接收到的信号恢复成与发送设备信道传输接收到的信号恢复成与发送设备输入信号相一致的一种装置。输入信号相一致的一种装置。n收信装置收信装置是将电信号还原成原来的信息。是将电信号还原成原来的信息。例如通过扬声器（喇叭）或耳机还原成原例如通过扬声器（喇叭）或耳机还原成原来的声音信息（语言或音乐）。来的声音信息（语言或音乐）。n信道信道即传输信息的通道，或传输信号的通即传输信息的通道，或传输信号的通道。概括起来

8、有两种，即有线信道和无线道。概括起来有两种，即有线信道和无线信道。有线信道包括架空明线、电缆、光信道。有线信道包括架空明线、电缆、光缆等，无线信道可以是传输无线电波的自缆等，无线信道可以是传输无线电波的自由空间，如地球表面的大气层、水、地下由空间，如地球表面的大气层、水、地下及宇宙空间等。及宇宙空间等。n噪声源噪声源是指信道中的噪声及分散在通信系是指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。统中其他各处噪声的集中表示。 传播特性指的是无线电信号的传播方式、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。传播距离、传播特点等。不同频段的无线电不同频段的无线电信号，其传播特性

9、不同。信号，其传播特性不同。同一信道对不同频同一信道对不同频率的信号传播特性是不同的。率的信号传播特性是不同的。 传播方式主要有直射传播、绕射（地波）传播方式主要有直射传播、绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播及散射传播传播、折射和反射（天波）传播及散射传播等。等。决定传播方式和传播特点的关键因素是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。无线电信号的频率。1.2 1.2 无线电波的传播特性无线电波的传播特性n为了有效的传输信号，不同波段的信号所为了有效的传输信号，不同波段的信号所采用的主要传播方式是不同的。采用的主要传播方式是不同的。n长波信号以地波绕射为主。中波和短波信长波信

10、号以地波绕射为主。中波和短波信号可以以地波和天波两种方式传播，号可以以地波和天波两种方式传播，不过，不过，前者以地波传播为主，后者以天波（反射前者以地波传播为主，后者以天波（反射和折射）传播为主。和折射）传播为主。超短波以上频段的信超短波以上频段的信号大多以直射方式传播，也可以采用对流号大多以直射方式传播，也可以采用对流层散射的方式传播。层散射的方式传播。图图1-2 1-2 无线电波传播方式无线电波传播方式n在各种无线电系统中，信息是依靠高频无在各种无线电系统中，信息是依靠高频无线电波来传递的，线电波来传递的，那么应该如何选择高频那么应该如何选择高频载波的频率呢？载波的频率呢？n我们知道，频率

11、从几十千赫至几万兆赫的我们知道，频率从几十千赫至几万兆赫的电磁波都属于无线电波，所以它的频率范电磁波都属于无线电波，所以它的频率范围是很宽的，围是很宽的，为了便于分析和应用，习惯为了便于分析和应用，习惯上将无线电的频率范围划分为若干个区域，上将无线电的频率范围划分为若干个区域，即即对频率或波长进行分段，称为频段或波对频率或波长进行分段，称为频段或波段。段。 1.3 1.3 无线电波的频段划分无线电波的频段划分 无线电波在空间传播的速度是无线电波在空间传播的速度是3030万公万公里里/ /秒。秒。电波在一个电波在一个桭桭荡周期荡周期 T 内的传播距内的传播距离叫做波长，用符号离叫做波长，用符号表

12、示。表示。波长波长，频，频率和电磁波传播速度率和电磁波传播速度C 的关系为的关系为 这是电磁波的基本关系式这是电磁波的基本关系式 。 因为不同频段信号的产生，放大和接因为不同频段信号的产生，放大和接收的方法不同，传送的方式也不同，因而收的方法不同，传送的方式也不同，因而它们的应用范围也不同。表它们的应用范围也不同。表1-11-1列出了无线列出了无线电波的波（频）段划分。电波的波（频）段划分。fCCT表表1.1.1 1.4 1.4 调制的通信系统调制的通信系统 在传送信号的一方（发送端），用我们所要在传送信号的一方（发送端），用我们所要传送的对象（例如话音信号）去控制载波的幅度传送的对象（例如话

13、音信号）去控制载波的幅度（或频率或相位），使载波的幅度（或频率或相（或频率或相位），使载波的幅度（或频率或相位）随要传送的对象信号而变位）随要传送的对象信号而变. 这里对象信号本身称为这里对象信号本身称为“调制信号调制信号”，调制，调制后形成的信号称为后形成的信号称为“已调信号已调信号”。调制使幅度变调制使幅度变化的称化的称“调幅调幅”，使频率变化的称，使频率变化的称“调频调频”，使，使相位变化的称相位变化的称“调相调相”。实际上，在调制的通信实际上，在调制的通信系统中，系统中，载波只起一个装载和运送信号的作用，载波只起一个装载和运送信号的作用，相当于相当于“运载工具运载工具”，而调制信号才是

14、真正需要而调制信号才是真正需要传送的对象。传送的对象。一、一、 什么是调制什么是调制n分析：若信号频率为分析：若信号频率为1kHz，其相应波长为其相应波长为300km，若采用若采用1/4 波长的天线，根据波长的天线，根据 就可以算出就可以算出天线长度需要天线长度需要75km，制造这样制造这样的天线是很困难的。的天线是很困难的。 n只有天线实际长度与电信号的波长相比拟只有天线实际长度与电信号的波长相比拟时，这时电信号才能以电磁波形式有效地时，这时电信号才能以电磁波形式有效地辐射，这就要求原始电信号必须有足够高辐射，这就要求原始电信号必须有足够高的频率。的频率。 fc83 10300km1000c

15、f二、二、 为什么要进行调制？为什么要进行调制？ 在接收信号的一方（接收端）在接收信号的一方（接收端） ，从收到的已调信号中把调制信号恢复从收到的已调信号中把调制信号恢复出来。出来。调幅波的解调叫调幅波的解调叫“检波检波”，调，调频波的解调叫频波的解调叫“鉴频鉴频”，解调是其统，解调是其统称。称。三、三、什么是解调什么是解调 按照按照信道中传输的信道中传输的是模拟信号还是是模拟信号还是数字信号数字信号可把通信系统相应分成两类，可把通信系统相应分成两类，即模拟通信系统和数字通信系统即模拟通信系统和数字通信系统 。 四、模拟通信系统和数字通信系统四、模拟通信系统和数字通信系统 “通信电子电路通信电

16、子电路”课程主要内容有：谐振回路、课程主要内容有：谐振回路、小信号调谐放大器、高频调谐功率放大器、倍频小信号调谐放大器、高频调谐功率放大器、倍频器、正弦波振荡器、变频器、振幅调制及检波电器、正弦波振荡器、变频器、振幅调制及检波电路、角度调制及解调电路、锁相环路等。着重讨路、角度调制及解调电路、锁相环路等。着重讨论论发送设备和接收设备各单元的工作原理和组成，发送设备和接收设备各单元的工作原理和组成，以及构成发送、接收设备的各种单元电路的工作以及构成发送、接收设备的各种单元电路的工作原理、典型电路和分析方法原理、典型电路和分析方法。“通信电子电路通信电子电路”课程主要内容课程主要内容n传输数字信号

17、的通信系统称为数字通信系统，传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，其原理框图如下图所示：其原理框图如下图所示： 信源编码信道编码信道接收机输入模拟信号发射机信道解码信源解码输出模拟信号数字1.5 1.5 数字通信系统数字通信系统l模拟信号经信源编码和信道编码变成数模拟信号经信源编码和信道编码变成数 字基带信号，发射机将基带信号调制到字基带信号，发射机将基带信号调制到 高频载波上经信道传输到接收端，接收高频载波上经信道传输到接收端，接收 机还原出数字基带信号，经信道解码和机还原出数字基带信号，经信道解码和 信源解码还原出模拟基带信号。用数字信源解码还原出模拟基带信号。用数字 基带信号对高频正弦

18、载波进行的调制称基带信号对高频正弦载波进行的调制称 数字调制。根据基带信号控制载波的参数字调制。根据基带信号控制载波的参 数不同，数字调制通常分为与振幅键控数不同，数字调制通常分为与振幅键控 调制，频率键控和相位键控三种基本方调制，频率键控和相位键控三种基本方 式。式。l振幅键控振幅键控（Amplitude-shift keying） (ASK) 载波振幅受基带控制载波振幅受基带控制l相位键控相位键控（phase-shift keying） (PSK) 载波相位受基带信号控制，当基带载波相位受基带信号控制，当基带信号信号p p( (t t) = 1) = 1时，载波起始相位为时，载波起始相位为

19、0 0，当当p p( (t t) = 0) = 0时载波起始相位为时载波起始相位为 数字通信系统数字通信系统n 频 率 键 控 ：频 率 键 控 ：（Frequency-shift keying） (FSK) n载波频率受基带载波频率受基带信号控制，当信号控制，当p p( (t t) ) = 1= 1时，载波频率时，载波频率为为f f1 1；当；当p p( (t t) = 1) = 1时，载波频率为时，载波频率为f f2 2，其波形如右图所其波形如右图所示：示： t (a) 载波 t (c) ASK t (b) 基带 1 0 1 1 0 0 0 1 t (d) PSK t (e) FSK f1

20、 f2 f1 f2 n数字通信的主要优点：数字通信的主要优点： (1) (1) 有较强的抗干扰能力，通过再生有较强的抗干扰能力，通过再生中继技术可以消除噪声的积累，并能对中继技术可以消除噪声的积累，并能对信号传输中因干扰而产生的差错及时发信号传输中因干扰而产生的差错及时发现和纠正，从而提高了信息传输的可靠现和纠正，从而提高了信息传输的可靠性。性。 (2) (2) 数字信号便于保密处理，易于实数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。现保密通信。 (3) (3) 数字信号便于计算机进行处理，数字信号便于计算机进行处理，使通信系统更加通用和灵活。使通信系统更加通用和灵活。 (4) (4) 数字电路易

21、于大规模集成，便于数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化设备的微型化 数字通信的缺点：数字通信的缺点： 数字信号占据频带较宽，频带利用率数字信号占据频带较宽，频带利用率低，但目前采用了一些新的数字调制技低，但目前采用了一些新的数字调制技术，不断增大通信容量，提高频率利用术，不断增大通信容量，提高频率利用率，所以数字通信的发展前景广阔。率，所以数字通信的发展前景广阔。1.6 1.6 现代通信系统现代通信系统 n7070年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机，如前介绍的超外差接收机，70807080年代无线电通年代无线电通信实现了模

22、拟信实现了模拟数字的大转变，从系统控制（选数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统。它是一个模拟与数字的混合系统。 IF 放大 解调 DSP DAC ADC 混频 本振（数字频率合成可控振荡源） 宽带 RF放大器 无线（通信）系统（接收部分）无线（通信）系统（接收部分）模拟与射频电路模拟与射频电路ADFSMphonebookRTO

23、SARQKeypad,DisplayControlCodersFFTFiltersAccelerators(bit level)模拟模拟数字数字DSP 核心核心Logic专用逻辑电路专用逻辑电路通信算法通信算法协议处理协议处理RF-Front： 本课程学习内容本课程学习内容微处理器核心微处理器核心(ARM)软件无线电软件无线电 进入进入9090年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，软件无线电技术即从数字化走向了软件化，软件无线电技术（software Radio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包应运而生。支持这场革命

24、的是多种技术的综合，包括多频段天线和括多频段天线和 RFRF变换宽带变换宽带A/D/AA/D/A转换，完成转换，完成IFIF、基带、比、基带、比特流处理功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的特流处理功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的是满足军用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式是满足军用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速

25、。软件无线电信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速。软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的成本、高性能的DSPDSP芯片组成。规范的软件无线电典型结构芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。如下图所示。n 软件无线电的标志：软件无线电的标志： 1. 1. 无线通信功能是由软件定义并完成的，这无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全的可编程能力包括可编程的射频波段、种完全的可编程能力包括可编程的

26、射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件控制的数字无线电。软件无线电区别于软件控制的数字无线电。 2. 2. 在尽可能靠近天线的地方使用在尽可能靠近天线的地方使用A/D/AA/D/A转换转换器，因为信号的数字化是实现软件无线电的首器，因为信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的要条件。理想软件无线电系统中的A/D/AA/D/A转换器转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。本区别所在。 n 软件无线电的特点：软件无线电的特点： 1. 1. 具有完全的可编程性具有完全的可编程性 通过安装不同的软件来实现不同的电路通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。务等。 2. 2. 软件无线电基于软件无线电基于DSPDSP技术技术 系统所需要的信号处理工作有变频、滤系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信道编译码，