通信电子线路 课件 第1章 绪论

第1章绪论第1章绪论通信：发送者向接收者传输语音、图像、文本和数据等信息。能完成信息传输功能的系统称为通信系统。以电信号（或光信号）为信息载体的通信系统称为现代通信系统。通信电子线路是指在现代通信系统中，为完成信息传输任务在发射装置和接收装置中所使用的各种线性和非线性电子线路。蜂窝移动通信、广播、电视、导航、雷达、遥控遥测等都包含有传输电信号的无线电通信系统。无线电通信依靠电磁波传送信息。2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师2理论基础：1864年麦克斯韦发表的论文“电磁场的动力理论”，证明了电磁波的存在。1887年赫兹证实了电磁波对信息的传输。1895年马可尼首次在几百米的距离上成功开展了无线电通信实验，1901年又首次完成了横渡大西洋的通信实验。电子技术也逐渐发展起来。1904年弗莱明发明了电子二极管（无线电电子学）。1907年弗雷斯特发明了电子三极管。1948年肖克莱发明了晶体三极管。

晶体管在节约电能、缩小体积与重量、延长寿命等方面远胜电子管，成为现代通信电子线路中极其重要的器件。第1章绪论2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师3将“管”“路”结合起来的集成电路自二十世纪六十年代开始出现，并逐渐成为电子线路的主流。第一块集成电路于1958年在美国问世。1967年美国研制出大规模集成电路，1978年超大规模集成电路（微电子）。无线电通信技术和相关通信电子线路的作用在蜂窝移动通信系统中体现得最为突出。1978年贝尔实验室研制成功了第一代模拟移动通信技术并建成了蜂窝移动通信系统。1987年第二代数字蜂窝移动通信系统问世。2000年国际电信联盟确定了第三代移动通信系统的接口技术标准，我国的时分同步码分多址标准位列其中。第1章绪论2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师4第四代移动通信采用多天线和正交多载波复用，极大地提升了移动通信系统的信道容量和能量效率。2018年第五代移动通信技术独立网功能标准确立。

无线电通信技术还扩展到了计算机科学、宇航技术、自动控制、仪器科学等其他学科领域，对人类生活和生产活动产生了非常深刻的影响。第1章绪论2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师51.1通信系统的组成通信系统的类型很多。（同轴电缆、光纤，卫星通信、移动通信、水下通信，单工(只能发或只能收)、半双工(既可以发也可以收，但不能同时收、发)、全双工(可以同时收、发)，模拟/数字不同通信系统设备及其复杂度有较大差异，但设备中产生、接收和检测高频信号的基本电子线路都是相同的。一个完整的通信系统包括输入换能器、发射机、传输信道、接收机和输出换能器五个部分。2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师6图1.1.1通信系统组成方框图

1.1通信系统的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师71.1.1发送装置的组成

包括输入换能器、发射机、发送天线三部分。输入换能器：将发送者的信息变换为电信号。

频谱通常靠近零频附近，属于低频信号，称为基带信号。

可以是模拟的、数字的或脉冲信号。

发送语音：输入换能器就是将语音变换为电信号的微音器（或话筒）。

音频：20Hz~20kHz。声波：声波在空气中传播的速度很慢，而且能量衰减很快。

如何把声音传送到远方？

变换成电信号：利用微音器的压电效应把声音变成电信号。微音器输出的电压或电流的变化规律与声音的变化规律相同。在空气中的传播速度约为340米/秒2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师8

发射机：将基带信号变换成适合在信道中传输并且具有足够强度的高频电振荡。由微音器得到的电信号的幅度一般都很小，通常只有几毫伏至零点几伏，需要先用音频放大器放大。将放大后的低频信号直接在信道上传输在无线通信中通常是不可行的。必须将低频信号使用调制装载到高频载波上。1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师9

正弦波振荡器和调制器完成。高频已调信号再通过功率放大器得到具有足够功率的高频电振荡。

发射天线：将高频电振荡变换为电磁波，向传输媒质即传输信道辐射。1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师10调制的原因基带信号由于频率低且相对频带较宽，直接通过传输信道传输，在多路通信、有效传输等方面存在着难以克服的困难。无线通信就不适合基带信号的直接传输。需要将基带信号变换成适合信道传输的高频调制信号，再通过信道传输到接收设备。1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师11

调制：是指用携有信息的电信号去控制高频振荡信号的某一参数（振幅、频率或相位），使该参数按照电信号的规律而变化。调制信号：携有信息的电信号，它是由换能器所实现的调制前的基带信号。载波：调制前的高频振荡信号。已调信号：完成调制之后的高频振荡信号（已调波）调幅、调频、调相

解调是调制的逆过程。

不同调制方式和解调方式的性能不同。指标：已调信号的频谱宽度、功率有效性和抗干扰及噪声的能力。1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师12调制的原因减小天线尺寸

只有馈送到天线上的信号波长与天线的尺寸可以相比拟时（如1/4波长的天线），天线才能有效地辐射和接收电磁波。

例如，语音信号的频谱为20Hz~20kHz，对应的波长范围为1.5×107~1.5×104m，所需要的天线尺寸至少要几十千米。

将信息装载到高频载波上后，天线尺寸就可与载波波长相比拟。若载波频率（简称为载频）为100MHz，则天线尺寸可以减小到1m。克服干扰

多个发射机（如电台）所发出的信号频率都在同一个频率范围，造成混叠。

使用调制将不同发射机的信息装载到不同频率的载波上

1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师13调制的原因有利于电路实现

发射机和接收机上都必须采用天线和谐振回路。语音、音乐、图像等信号的频率变化范围很大，难以调谐。

在相对窄的频带范围内实现谐振回路的调谐和功率放大。1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师14调幅发射机的组成方框图1.1.1发送装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师15图1.1.2采用调幅方式的中波广播发射机组成方框图接收装置的工作过程是发射装置的逆过程。接收天线、接收机和输出换能器组成。接收天线将传播到其上的电磁波转换为高频电振荡。接收机有选择地将接收到的微弱高频电振荡通过高频放大器放大。

选频电路：由线圈即电感L和电容C组成的谐振回路，石英晶体滤波器等固体滤波器。

从高频已调波检取出发射机信号的过程称为检波或解调，功能部件称为检波器或解调器。

1.1.2接收装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师16输出换能器将解调的电信号还原为所传送的信息。

发射机和接收机所使用的频率称为射频频率。

基本的接收机可分为简单选择式接收机、直接放大式接收机和超外差式接收机。1.1.2接收装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师17

简单选择式接收机1.1.2接收装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师18图1.1.3简单选择式接收机组成方框图

直接放大式接收机图1.1.4直接放大式接收机组成方框图1.1.2接收装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师19

超外差式接收机图1.1.5超外差式无线广播调幅接收机的组成方框图fI=|fL-fc|1.1.2接收装置的组成2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师20instituteofelectricalandelectronicsengineers电磁波的频谱范围：大约在100~1022Hz。通用的波段（或频段）划分是由国际电气和电子工程师学会（IEEE）建立的。1.1.3无线信道的传播特性2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师21传输信道连接收、发两端，又称传输媒质。无线电磁波受频率、气候、距离、地形、地貌等诸多因素的影响，无线信道的特性会有所不同。理想传输环境是自由空间传播，发射机发射的信号功率只随距离的增加而发生确定的传播衰减。在随机的大气介质和自然环境中传播，衰落现象。1.1.3无线信道的传播特性2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师22当忽略大气折射率对电磁波传播的影响时，可以将传输信道视为均匀媒质的自由传播空间。由于电磁波的波长或频率范围不同，电磁波在大气中的传播方式也不同。地波：中、长波段，沿着地球表面传播，能量会因地球表面吸收而发生损耗，天波：短波段，电离层反射与折射传播。到达电离层后，一部分能量被吸收，一部分能量被反射和折射到地球表面。空间波：超短波和微波波段，沿空间直线传播，只能局限在视距范围传播。1.1.3无线信道的传播特性2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师23图1.1.6无线电波传播方式1.1.3无线信道的传播特性散射：无线电磁波会被传输媒质中不均匀的团块向四周散射，仅有一部分能量到达接收点。2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师24波段波长范围频率范围主要传播方式用途超长波104~108m3Hz~30kHz地波远距离导航、声呐、电报、电话长波103~104m30~300kHz地波导航、信标、电力线通信中波102~103m300kHz~3MHz地波，天波调幅广播、通信、导航短波10~100m3~30MHz天波，地波短波广播、通信表1.1.1无线电波的波（频）段划分、传播方式与用途1.1.3无线信道的传播特性2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师25波段波长范围频率范围主要传播方式用途超短波1~10m30~300MHz空间波，散射移动通信、电视广播、调频广播、雷达微波分米波0.1~1m300MHz~3GHz空间波，散射通信、中继与卫星通信、电视广播、雷达、遥控遥测厘米波1~10cm3~30GHz空间波微波通信、中继与卫星通信、雷达毫米波1~10mm30~300GHz空间波微波通信、雷达、射电天文学1.1.3无线信道的传播特性2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师261.2.1模拟通信系统2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师27图1.2.1模拟通信系统的组成方框图1.2.2数字通信系统数字通信系统一般在发送端都增加了对数字信号进行信源编码和信道编码电路，在接收端都增加了信道译码与信源译码电路，以实现不同性能的应用需求。2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师28图1.2.2数字通信系统的组成方框图1.2.2数字通信系统2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师29图1.2.3数字调制的波形图在20世纪70年代以前，通信系统主要是模拟体制。之后进入了数字通信时代，从选台调谐、音量控制、均衡控制等到信源编码、信道编码以及硬件实现都实现了数字化。进入90年代后，通信系统从数字化走向了软件化，软件无线电系统应运而生。软件无线电是指在一个标准的硬件平台上，将各种通信业务通过不同软件的运行来实现。软件无线电系统的硬件平台不仅包括多频段天线和射频变换宽带模数转换（analog-to-digitalconvertion,ADC）和数模转换（digital-to-analogconvertion,DAC），而且含有完成基带比特流处理功能的通用可编程门阵列（field-programmablegatearray,FPGA）处理器和低成本、高性能的数字信号处理（digitalsignalprocessing,DSP）器等。软件平台则包含了各种脱机、实时和准实时的通用和专用软件。一个规范的软件无线电系统的典型结构如图所示。1.2.3软件无线电系统2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师301.2.3软件无线电系统2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师31图1.2.4规范的软件无线电典型结构1.3通信电子线路的基本特点高频元器件具有分布参量

晶体管的极间电容、电极的引线电感、载流子扩散漂移时间高频器件的工作状态与控制变量是关键条件

隧道二极管等，欠压、过压、线性时变工作状态等分析非线性电子线路的方法与分析线性电路的方法有所不同绝大部分通信电子线路是非线性电子线路，电子器件工作于大信号饱和区或截止区。描述信号频谱不可或缺

数学表达式、波形、频谱图2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师321.3.1非线性元器件的参数直流电导：静态电导伏安特性曲线上任一点Q与原点的连线（OQ线）的斜率。交流电导：增量电导指伏安特性曲线上任一点Q的斜率，或近似为该点上增量电流与增量电压的比值以一个非线性电阻为例。2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师33图1.3.1直流电导与交流电导的定义当器件两端加上余弦电压v=Vmcosωt时，由于器件的非线性，流过器件的电流波形必定是非余弦的，将电流用傅里叶级数分解为平均分量、基波分量及各次谐波分量之和平均电导：1.3.1非线性元器件的参数2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师341.3.2平均电导gav定义的示意图

晶体三极管

转移特性（即集电极电流iC随发射结电压vBE变化的特性）而言，它的参数称为跨导。直流电导（或跨导）：直流分析增量电导（或跨导）：频率变换电路平均电导（或跨导）：功率放大电路和振荡电路1.3.1非线性元器件的参数2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师35分析一个非线性器件的响应特性时，必须注明它的控制变量。控制变量不同，描述非线性器件特性的函数就不同。控制变量为电压时，流过隧道二极管的电流为确定的单值。控制变量为电流时，在隧道二极管两端产生的电压则为多值。曲线上任一点的直流电导为正值，但增量电导或平均电导在曲线AB段内却是负值。1.3.2非线性元器件的控制参数2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师36图1.3.3隧道二极管的伏安特性曲线非线性元器件的输出响应不满足叠加原理设非线性器件的特性为i=f(v)，则当v=v1+v2时，有若设一个非线性器件的伏安特性为i=av2（平方律），则当v=v1+v2时，有若v1=V1mcosω1t，v2=V2mcosω2t，则i中除出现ω1和ω2的信号分量外，还出现了由两个电压的相乘项所产生的角频率为ω1

ω2的新频率分量。正是由于出现了两个电压的相乘项和由此产生的新频率分量，才使非线性电子线路可以实现频率的加、减等更多的电路功能。1.3.3非线性元器件的输出响应2026/10/16上海师范大学信息与通信工程系主讲教师37非线性元器件输出信号的谐波分析若一个周期信号f(t)的周期为T1，相应的频率f1=1/T1，角频率ω1=2π/T1，它满足狄里赫利条件，则它的傅里叶级数展开式为正弦、余弦分量的频率必定是基频f1的整数倍。基波、二次谐波、三次谐波等1.3.3非线性元器件的输出响应2026/10/1