通信电子线路：Chapter 1 2 高频电子线路

Chapter1

绪论§1.1通信电子线路概述§1.2无线电信号的传输原理§1.3通信系统§1.4

本课程特点§1.1通信电子线路概述介绍信息传输和处理的基本电路，基本原理和基本分析方法。要求掌握发射机、接收机的基本组成，工作原理和电路设计。谐振回路、高频小信号放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器以及调制、解调等电路的分析方法。无线电通信发展简史原始手段有线通信无线通信烽火、旗语电报（1837Morse）电话（1876Bell）电磁波的存在

Maxwell

理论Hertz

实践三个里程碑：①Leedeforest

发明电子三极管②W.Shockley

发明晶体三极管③集成电路、数字电路的出现§1.2无线电信号传输原理一传输信号的基本方法二通信系统简介三信号及其频谱一传输信号的基本方法1语言和文字最原始、最基本的传输手段2光通信（远距离通信，迅速准确）3电通信（无线通信，有线通信）

Maxwell

在理论上发现电磁场理论

Hertz

在实践上证明电磁场的存在

Morse

有线电报

Bell

有线电话通信系统原理框图信号源发送设备传输信道接收设备收信装置二通信系统简介1.信号源在实际的通信电子线路中传输的是各种电信号，需要将各种形式的信息转变成电信号。常见的信号源有：话筒摄像机各种传感器件2.发送设备A.发送设备的作用：将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号。B.对基带信号进行变换的原因由于要传输的信息种类多样，其对应的基带信号特性各异，这些基带信号往往并不适合信道的直接传输。C.发送设备的工作过程和基本原理无线电发射机方框图

调制概念将音频信号“装载”到高频振荡中的方法有好几种，如调频、调幅、调相等。电视中图象是调幅，伴音是调频。广播电台中常用的方法是调幅与调频。3.接收设备A.接收设备的作用：接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。

B.接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。C.无线电信号的接收最简单的接收机原理框图超外差式接收机方框图消息信号源放大器调制器高频振荡器谐振放大器或倍频器已调波放大器发射天线接收天线高频放大器本地振荡器混频器中频放大器解调器放大器视频显示器扬声器等等无线电发射机和接收机原理框图选择电路4.收信装置收信装置是指接收设备输出的电信号变换成原来形式的信号的装置。例如：还原声音的喇叭恢复图象的显象管5.传输信道信号从发送到接收中间要经过传输信道，又称传输媒质。不同的传输信道有不同的传输特性。如电缆、光缆、无线电波等。根据传输媒质的不同，可以分为两大类：有线通信：双绞线电缆、同轴电缆、光缆无线通信：自由空间A.有线通信信道双绞线适用于短距离（小于100m）、1Mb/s数据率的通信环境。2.同轴电缆

适用于距离在几百米、带宽小于10Mhz、码流率小于20Mbps的通信环境。3.光纤电缆特点：衰减小（小于1db/km）、工作频率高、信息容量大B.无线通信信道无线通信的传输媒质是自由空间。电磁波从发射天线辐射出去之后，经过自由空间到达接收天线的传播途径可分为两大类：地波和天波。a、地波（分为地面波和空间波）

地面波就是沿地面传播的无线电波。适用于长波和超长波。空间波是在发射天线与接收天线间直线传播的无线电波,发射天线和接收天线较高，接收点的电磁波由直接波和地面反射波合成。适用于超短波。b、天波经过地面100km至500km的电离层反射传送到接收点的电磁波。适用于短波。电离层反射的特点：频率越高，吸收能量越小，但频率过高电波会穿透电离层。故频率只限于中短波段300Khz－30Mhz。c、散射通信利用对流层对电波的散射进行通讯，它适用于超短波以及微波波段的通信，通信距离很远。

d.无线电波段的划分

波段名称波长范围频率范围频段名称超长波10,000—100,000m30—3kHz甚低频VLF长波1,000—10,000m300—30kHz低频LF中波200—1,000m1500—300kHz中频MF中短波50—200m6,000—1,500kHz中高频IF短波10—50m30—6MHz高频HF米波1—10cm300—30MHz甚高频VHF分米波10—100cm3,000—300MHz特高频UHF厘米波(微波)1—10cm30—3GHz超高频SHF毫米波1—10mm300—30GHz极高频EHF亚毫米波1mm以下300GHz以上超极高频三

信号及其频谱

根据傅立叶变换的基本原理，任何一个函数都可以用傅立叶级数展开。如果把信号看成一个函数，这就为我们研究信号提供了一种新的方法。通过研究信号的频谱我们可以突出在信号传输中存在的主要问题，如信号的变化规律，信号的能量分布等。

由于任何复杂的信号，都可分解为许多不同频率的正弦信号之和，因此，所谓“频谱”即是指组成信号的各正弦分量按频率分布的情况。为了更直观地了解信号的频率组成分和特点，我们通常采用作图的方法来表示频谱。用频率f作横座标，用信号的各正弦分量的相对振幅作纵座标，通常称之为频谱图。一般数字信号的频谱图

可见，数字信号的频谱是不连续的。

振幅f脉冲信号的分解§1.3通信系统

一、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：

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

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

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不同，数字调制通常分为振幅键控调制、频率键控和相位键控三种基本方式。

振幅键控（Amplitude-shiftkeying）(ASK)

载波振幅受基带控制相位键控（phase-shiftkeying）(PSK)

载波相位受基带信号控制，当基带信号p(t)=1时，载波起始相位为0，当p(t)=0时载波起始相位为

频率键控：（Frequency-shiftkeying）(FSK)载波频率受基带信号控制，当p(t)=1时，载波频率为f1；当p(t)=1时，载波频率为f2

数字通信的主要优点：

(1)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性。

(2)数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。

(3)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。

(4)数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化

数字通信的缺点：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。二、现代通信系统

70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，70—80年代无线电通信实现了模拟到数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、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，它是一个模拟与数字的混合系统。1.模拟与数字的混合系统

进入90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（softwareRadio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括多频段天线和RF变换宽带A/D/A转换，完成IF、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。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DSP芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。2、软件无线电软件无线电

软件无线电的标志：

1.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、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。

2.在尽可能靠近天线的地方使用A/D/A转换器，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A/D/A转换器已相当靠近天线，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本区别所在。

软件无线电的特点：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能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。2.软件无线电基于DSP技术。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，接口协议与信令处理，加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理。3.

其有很强的灵活性及可扩充性，可以任意转换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号。4.

具有集中性。由于软件无线电结构具有相对集中和统一的硬件平台，所以多个信道可以享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器，从而可以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。

由于大规模集成电路的数字无线电和软件无线电收发信机，其内部的基本功能，基本原理，工作流程和电路结构与传统的超外式无线电收发信机并无太大差异，经典高频电子线路的分析方法与设计思想仍可作为现代无线电新技术的理论基础。而且，由于目前器件水平的限制，软件无线电技术还基本只能在通信系统的基带处理部分得到较好发挥，还必须采用与传统电路结合的方式进行系统研制。要超越器件水平的限制，进行深入的理论研究，提出新的解决方案和好的算法，也需要借助于一些经典的通信电路理论。数字通信中的很多电路功能也基本上用模拟电路实现。因此，本门课程中仍以基本模拟通信电子电路为主要内容进行分析。§1.4本课程的特点1、电子信息与通信专业学生必须掌握的一门专业基础课程。2、它是电路理论、信号与线性系统、低频电子线路等课程的后继课程。3、在学习这门课程时要注意它与低频电路理论的不同分析方法和实验测试的不同点。

（1）通过学习掌握实际单元电路的分析方法。包括放大、振荡、调谐、调制、变频电路。（2）整机电路的分析和计算。（3）根据给出的指标完成部分电路的设计。4、课程要求：通信电子线路清华大学出版社陈启兴主编

通信电子线路华中科技大学严国萍龙占超编

高频电子线路学习指导与题解

华中科技大学出版社严国萍编

教材与参考书：Chapter2

高频小信号放大器

§2.1

概述

§2.2

串并联谐振回路

§2.3

晶体管高频小信号等效电路

§2.4

晶体管谐振放大器

§2.5

小信号放大器的稳定性

§2.6

线性宽带放大器与集中滤波器

§2.1

概述1.选频的基本概念所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。2.选频网络的分类

单振荡回路耦合振荡回路振荡回路（由L、C组成）各种滤波器LC集中滤波器石英晶体滤波器陶瓷滤波器声表面波滤波器3.高频小信号放大器的特点①频率较高中心频率一般在几百kHz到几百MHz频带宽度在几khz到几十MHz②小信号信号较小故工作在线性范围内(甲类放大器)4.高频小信号放大器的分类按所用的材料:

晶体管（BJT)、场效应管（FET)、集电电路（IC)按频谱宽度：窄带放大器和宽带放大器按电路形式：单级放大器和多级放大器按负载性质：谐振放大器和非谐振放大器

5.高频小信号放大器的质量指标A增益（放大系数）

电压增益：功率增益：

分贝表示：B通频带

放大器的电压增益下降到最大值的0.7（即1/)倍时，所对应的频率范围称为放大器的通频带，用表示。2f0.7也称为3分贝带宽。0.5为什么要求通频带？放大器所放大的一般都是已调制的信号，已调制的信号都包含一定谱宽度，所以放大器必须有一定的通频带，让必要的信号频谱分量通过放大器。与谐振回路相同，放大器的通频带决定于回路的形式和回路的等效品质因数QL。此外，放大器的总通频带，随着级数的增加而变。并且通频带愈宽，放大器增益愈小。C

选择性从各种不同频率的信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。

①矩形系数

按理想情况，谐振曲线应为一矩形。为了表示实际曲线接近理想曲线的程度，引入“矩形系数”，它表示对邻道干扰的抑制能力。2f0.1,2f0.01分别为放大倍数下降至0.1和0.01处的带宽，Kr愈接近于1越好。②

抑制比表示对某个干扰信号fn的抑制能力，用dn表示。An为干扰信号的放大倍数，Av0为谐振点f0的放大倍数。

例Av0=100An

=1用分贝表示dn(dB)=20lgdn

E

噪声系数：

放大器的噪声性能可用噪声系数表示：

NF越接近1越好

在多级放大器中，前二级的噪声对整个放大器的噪声起决定作用，因此要求它的噪声系数应尽量小。以上这些要求，相互之间即有联系又有矛盾。增益和稳定性是一对矛盾，通频带和选择性是一对矛盾。故应根据需要决定主次，进行分析和讨论。

为使放大器稳定工作，必须采取稳定措施，即限制每级增益，选择内反馈小的晶体管，应用中和或失配方法等。

D

工作稳定性指在电源电压变化或器件参数变化时以上三参数的稳定程度。

2.2.1串联谐振回路特性

信号源与电容和电感串接，就构成串联振荡回路。串联振荡回路的阻抗在某一特定频率上具有最小值，而偏离这个特定频率的时候阻抗将迅速增大。单振荡回路的这种特性称为谐振特性，这个特定频率就叫做谐振频率。谐振回路具有选频和滤波作用。§2.2

串并联谐振回路1阻抗

当时达到最大2谐振频率

当

0时，|Z|>R，>0

，X>0呈感性<0，X<0呈容性

=0,|Z|=R,X=0达到串联谐振。当回路谐振时的感抗或容抗，称之为特性阻抗。用表示谐振时电流最大且与电源同相

3.

品质因数Q

谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻R的比值，它表示回路损耗的大小.

因此串联谐振时，电感L和电容C上的电压达到最大值且为输入信号电压的Q倍，故串联谐振也称为电压谐振。

电感线圈与电容器两端的电压模值相等，且等于外加电压的Q倍。Q值一般可以达到几十或者几百，故电容或者电感两端的电压可以是信号电压的几十或者几百倍，称为电压谐振。4.谐振曲线和通频带

串联谐振回路中电流幅值与外加信号频率之间的关系曲线称为谐振曲线。

Q值不同即损耗R不同时，对曲线有很大影响，Q值大曲线尖锐，选择性好，Q值小曲线钝，通带宽。通频带

回路外加电压的幅值不变时，改变频率，回路电流I下降到Io的时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带用B表示

5.信号源内阻及负载对串联谐振回路的影响

通常把没有接入信号源内阻和负载电阻时回路本身的Q值叫做无载Q（空载Q值）如式

把接入信号源内阻和负载电阻的Q值叫做有载Q值，用QL表示：其中R为回路本身的损耗，RS为信号源内阻，RL为负载结论：

串联谐振回路通常适用于信号源内阻Rs很小(恒压源）和负载电阻RL也不大的情况。

对于信号源内阻和负载比较大的情况，宜采用并联谐振回路。结构：电感线圈、电容C、外加信号源相互并联的振荡回路。

如下图所示：其中由于外加信号源内阻很大，为了分析方便，采用恒流源。2.2.2并联谐振回路特性1.阻抗2谐振频率谐振时的阻抗特性：3.品质因数

一般Q为几十到几百，因此信号源的电流不是很大，而支路内的电流却是很大。谐振时电感支路或者电容支路的电流幅值为外加电流源IS的QP倍。并联谐振又称为电流谐振。

回路端电压

谐振时回路端电压

由此可作出谐振曲线

4.谐振曲线、相频特性曲线和通频带在小失谐时：结论：相角：

当回路端电压下降到最大值的时所对应的频率范围

5.信号源内阻和负载电阻对并联谐振回路的影响§2.2.3串、并联阻抗的等效互换串并联阻抗的等效互换故：

由于串联电路的有载品质因数与并联电路的有载品质因数相等所以等效互换的变换关系为：当品质因数很高（大于10或者更大）时则有串并联等效互换分析：2）串联电抗化为同性质的并联电抗且：3）串联电路的有效品质因数为1）小的串联电阻化为大的并联电阻且：2.2.4并联谐振回路的耦合连接与接入系数单振荡回路具有频率选择性和阻抗变换的作用。但是：1、选频特性不够理想

2、阻抗变换不灵活、不方便为了使网络具有矩形选频特性，或者完成阻抗变换的需要，需要采用耦合振荡回路。耦合回路由两个或者两个以上的单振荡回路通过各种不同的耦合方式组成阻抗变换电路从功率等效角度证明：理想变压器无损耗：1、变压器耦合连接752.双电容耦合电路负载电阻RL

是通过双电容分压接入并联谐振回路的,称为部分接入法,令接入系数可得(p<1)113.双电感抽头耦合电路负载电阻是通过双电感抽头接入并联谐振回路的,称为部分接入法,令接入系数(P<1)可得77应用部分接入法的选频电路接入系数对回路有载品质因数影响明显减小。

例下图为紧耦合的抽头电路，给定回路谐振频率fp=465kHz，Rs=27K，Rp=172K，RL=1.36K，空载Qo=100，P1=0.28，P2=0.063，Is=1mA。求回路通频带B=？和等效电流源

§2.3

晶体管高频小信号等效电路与参数2.3.1y参数等效电路式中：2.3.2混合π型等效电路

把晶体管内部的物理过程用集中原器件RLC表示。用这种物理模型的方法所涉及到的物理等效电路就是所谓的π参数等效电路。混合π参数等效电路

混合π等效电路中，电容，电阻并联，在一定的频率下：

rbc与Cbc引起的容抗相比rbc可视为开路。rbe与Cbe引起的容抗相比，rbe可以忽略（视为开路）rce与回路负载比较，可视为开路。

简化后的等效电路如图：这是对工作频率较高时的简化电路，对工作频率范围不同时，等效电路可进行不同的简化。频率低时可忽略电容的作用。Y参数等效电路与混合π等效电路参数的转换

(一)令V2=0，求yie、yfe。

简化混合π等效电路，如图所示。

(1)

(2)

V1小引起I小

起又

(二)

令，求yre、yoe

(3)

(4)

故(1)、(2)、(3)、(4)中的Ybe可认为相同。。

2.3.3晶体管的高频参数1.截止频率在频率为fβ时,|β|虽然下降到原来的0.707,但是仍然比1大的多,因此晶体管还能起到放大的作用。2.特征频率当频率增高，使|β|下降到1时的频率。电流放大系数β与f的关系：故可以粗略计算在某工作频率下的电流放大系数。3.最高振荡频率fmaxfmax表示晶体管所能够适应的最高极限频率。在此工作频率时晶体管已经不能得到功率放大，当f>fmax时,无论使用什么方法都不能使晶体管产生振荡。晶体管的功率增益时的工作频率可以证明:2.4.1电路构成

R1、R2、R3为偏置电阻，决定工作点，LF、CF为滤波电路，负压供电。C4、L组成L、C谐振回路，R4是加宽回路通频带用，Rp是并联回路本身的损耗2.4

晶体管单调谐回路谐振放大器2.4.2放大器的等效电路分析

(3)=(2)(4)代入(1)(4)放大器的输入导纳:2.4.3放大器的技术指标计算1.电压指标根据电压变比关系：所以：由于：所以：电压增益的相关结论2.谐振曲线与通频带当和为定值时（电路定了，其值也定了，带宽增益乘积为常数）决定于与，因为选择管子时应选取大的，应减少，但也不能取的太小，因为不稳定的电容的影响大。设

P1、P2=1带宽增益乘积为一常数讨论：1

当确定，p1和p2不变时，只取决于和的乘积，电容越大，通频带越宽，变小。2

为了获得高增益，宽频带，除了选用较大的晶体管外，应该尽量减小谐振回路的总电容，但是这样会导致系统的稳定性变差。3

对于宽带而言，要使尽量大，谐振曲线不稳定是次要的，因为频带很宽，对于窄带放大器，尽量大，使谐振曲线稳定（不会使通频带改变，以至引起频率失真）。3.单调谐放大器的选择性所以单调谐回路放大器的矩形系数远大于1，故其邻道选择性差，这是单调谐回路放大器的缺点。2.4.4多级单调谐回路谐振放大器

若单级放大器的增益不能满足要求，就可以采用多级级联放大器。级联后的放大器的增益、通频带和选择性都将发生变化。1）增益2）通频带根据通频带的定义可以求m级放大器的通频带上面的分析表明:①

为了使总的通频带不变,每级的带宽都要增加为原来的

X倍。②当每级通频带加宽X倍时,每级的增益都会降低为原来的1/X。3）选择性(以矩形系数为例)结论:单调谐回路特点是电路简单,调试容易,但选择性差,增益和通频带的矛盾比较突出。2.5小信号放大器的稳定性2.5.1自激产生的原因

gF改变了回路的QL值,bF引起回路失谐。

gF是频率的函数，在某些频率上可能为负值，即呈负电导性，使回路的总电导减小，QL增加，通频带减小，增益也因损耗的减少而增加，即负电导gF供给回路能量，出现正反馈。当gF=gs+gie（回路原有电导）则回路总电导g=0，QL

，放大器失去放大性能，处于自激振荡工作状态。

放大器产生自激的条件当Ys+Yz=0

回路总电导g=0

放大器产生自激。此时放大器的反馈能量抵消了回路损耗能量，且电纳部分也恰好抵消。表明放大器反馈的能量抵消回路损耗的能量，且电纳部分也切好得到抵消。

还可推导稳定系数2.5.2放大器的稳定系数及其稳定增益

Avo与S的关系

讨论：

①(Avo)s与f有关，f(Avo)s，fyre内反馈厉害。

②选管应选大些的为好

③(Avo)s只考虑内部反馈，未考虑外部反馈。

当S=5时，

(Avo)s是保持放大器稳定工作所允许的电压增益，称为稳定电压增益，为保证放大器