第1章-绪-论-高频电路基础-高频电路原理与分析.ppt

第1章 绪论,第1章绪论,1.1 无线通信系统概述,1.2 信号、频谱与调制,1.3 本课程的特点,思考题与习题,1.1 无线通信系统概述,1.1.1 无线通信系统的组成,无线通信(或称无线电通信)的类型很多，可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变，图1-1是典型的无线通信系统基本组成方框图。,图1-1 无线通信系统的基本组成,图中虚线以上部分为发送设备(发信机)，虚线以下部分为接收设备(收信机)，天线及天线开关为收发共用设备。信道为自由空间。话筒和扬声器属于通信的终端设备，分别为信源和信宿。上下两个音频放大器分别是为放大话筒输出信号和推动扬声器工作而设置的，属低频部件，本书不讨论。上面的音频放大器输出的信号控制高频载波振荡器的某个(些)参数，从而实现调制；下面的解调器就是针对上面发射端的调制而进行的检波(调制的逆过程)。已调制信号的频率若不够高，可根据需要进行倍频或上混(变)频；若幅度不够，可根据需要进行若干级(通常有预放、激励和输出三级)放大，经天线辐射出去。接收机一般都采用超外差的形式，在通过高频选频放大(初步的选择放大并抑制其它无用信号)后进行下混(变)频，取出中频后再进行中频放大(主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波能力)和其它处理，然后进行解调。超外差接收机的主要特点就是由频率固定的中频放大器来完成对接收信号的选择和放大。当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号频率即可。,接收设备的任务主要是有选择地放大空中微弱电磁信号(同时要尽可能保证信息的质量)，并恢复有用信息。接收设备的结构通常采用超外差(Super Heterodyne)形式，图1-1中的接收机即为一次变频超外差结构。随着设备小型化和系统化，接收设备的结构出现了许多新的形式，如图1-2和图1-3分别为镜频抑制式和直接变换式(Direct Conversion)或零中频(Zero IF)式接收机结构。不同的接收设备结构有不同的特点。,在接收设备中有相应的两种反变换。将接收到的已调信号变换(恢复)为基带信号的过程称为解调(Demodulating)，把实现解调的部件称为解调器(Demodulator)。解调时一般也需要一个本地的高频振荡信号，称为恢复载波(或插入载波)。有时将收发设备中的调制器和解调器合称为调制解调器(Modem)。,图 1-2 镜像抑制接收机结构,(,a,)Hartley结构；(,b,)Weaver结构,图 1-3 零中频接收机结构,在无线通信系统中通常需要某些反馈控制电路，这些反馈控制电路主要是自动增益控制(AGC)或自动电平控制(ALC)电路，自动频率控制(AFC)电路和自动相位控制(APC)电路(也称锁相环PLL)。此外，还要考虑高频电路中所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。需要说明的是，虽然许多通信设备可以用集成电路(IC)来实现，但是上述的单元电路通常都是由有源的和无源的元器件构成的，既有线性电路，也有非线性电路。这些基本单元电路的组成、原理及有关技术问题，就是本书的研究对象。,应当指出，实际的通信设备比上面所举例子要复杂得多。比如发射机的振荡器和接收机的本地振荡器就可以用更复杂的组件频率合成器(FS)来代替，它可以产生大量所需频率的信号。,1.1.2 无线通信系统的类型,无线通信系统的类型，可以根据不同的方法来划分。按照无线通信系统中关键部分的不同特性，有以下一些类型:,(1)按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频(RF)频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。,1.时间特性,一个无线电信号，可以将它表示为电压或电流的时间函数，通常用时域波形或数学表达式来描述。对于较简单的信号(如正弦波、周期性方波等)，用这种方法表示很方便。,无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性(如时间常数)与之相适应。,1.2 信号、频谱与调制,图 1-4 信号分解,对于周期性信号，可以表示为许多离散的频率分量(各分量间成谐频关系)，例如图1-5即为图1-4所示信号的频谱图；对于非周期性信号，可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱，信号为连续谱的积分。,频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分，它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。,任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看，带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频率范围或频带宽度。不同的信号，其带宽不同，比如，话音的频率范围大致为100 Hz6 kHz，其主要能量集中在300 Hz3.4 kHz。射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，不仅可以容纳许多互不干扰的信道，从而实现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些宽频带的消息信号(如图像信号)，这是无线通信采用高频的原因之一。,3.频率特性,任何信号都具有一定的频率或波长。我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。电磁波辐射的波谱很宽，如图 1-6 所示。,图 1-6 电磁波波谱,无线电波只是一种波长比较长的电磁波，占据的频率范围很广。在自由空间中，波长与频率存在以下关系:,c,=,f,(1-1),式中:,c,为光速，,f,和,分别为无线电波的频率和波长，因此，无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同，传播的能力和方式也不同，因而它们的分析方法和应用范围也不同。,表 1-1 列出了无线电波的频(波)段划分、主要传播方式和用途等。表中关于传播方式和用途的划分是相对而言的，相邻频段间无绝对的分界线。,4.传播特性,无线通信的传输媒质主要是自由空间。频率或波长不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。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。无线电信号的传,播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。,电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射，或者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象，电波的传播方式主要有直射(视距)传播、绕射(地波)传播、折射和反射(天波)传播及散射传播等，如图 1-7 所示。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。,图1-7 无线电波的主要传播方式,(,a,)直射传播；(,b,)地面绕射传播；,(,c,)电离层反射传播；(,d,)对流层散射传播,一般来讲，无线电信号的辐射是多方向的。由于地球是一个巨大的导体，电波沿地面传播(绕射)时能量会被吸收(趋肤效应引起)，通常是波长越长(或频率越低)，被吸收的能量越少，损耗就越小，因此，中、低频(或中、长波)信号可以以地波的方式绕射传播很远，并且比较稳定，多用作远距离通信与导航。实际上，绕射依赖于电波的波长、物体的体积与形状、绕射点入射波的振幅、相位和极化情况等，当电波的波长大于物体的体积时容易发生绕射。,所以，一次反射的最大跳距约4000 km。应当指出，由于电离层的状态随着时间(年、季、月、天、小时甚至更小单位)而变化，因此，利用电离层进行的短波通信并不稳定。但由于电离层离地面较高，因此，短波通信还是一种价格低廉的远距离通信方式。需要指出，电波的反射传播不只是存在于电离层中。由于电波在不同性质的介质的交界处都会发生反射，因此，当电波遇到比波长大得多的物体时将产生反射，也就是说，反射发生于地球表面、建筑物表面等许多地方。,在离地面大约1012 km范围内的大气层称为对流层，该层的空气密度较高，所有的大气现象(如风、雨、雷、电等)都发生在这一层。散射现象也主要发生在对流层。在这个层中由于大气湍流运动等原因形成的不均匀性就是电波的散射源。散射具有很强的方向性和随机性。接收到的能量与入射线和散射线的夹角有关。散射信号随时间的变化分为慢衰落和快衰落两种，前者决定于气象条件，后者由多径传播引起。散射传播还有一定的散射损耗。散射传播距离约为100500 km，适合的频率在4006 000 MHz之间。需要指出，散射是在电波通过的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常大时产生的，因此，散射发生于粗糙表面、小物体或不规则物体等许多地方。,5.调制特性,调制在无线通信中的作用至关重要。无线电传播一般都要采用高频(射频)的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比拟时，天线的辐射效率才会较高，从而以较小的信号功率传播较远的距离，接收天线也才能有效地接收信号。若把低频的调制信号直接馈送至天线上，要想将它有效地变换成电磁波辐射，则所需天线的长度几乎无法实现。如果通过调制，把调制信号的频谱搬至高频载波频率，则收发天线的尺寸就可大为缩小。此外，调制还有一个重要作用就是可以实现信道的复用，提高信道利用率。,所谓调制，就是用调制信号去控制高频载波的参数，使载波信号的某一个或几个参数(振幅、频率或相位)按照调制信号的规律变化。,根据载波受调制参数的不同，调制分为三种基本方式，它们是振幅调制(调幅)、频率调制(调频)、相位调制(调相)，分别用AM、FM、PM表示，还可以有组合调制方式。当调制信号为数字信号调制时，通常称为键控，三种基本的键控方式为振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。,一般情况下，高频载波为单一频率的正弦波，对应的调制为正弦调制。若载波为一脉冲信号，则称这种调制为脉冲调制。本课程中主要讨论模拟消息(调制)信号和正弦载波的模拟调制，但这些原理甚至电路完全可以推广到数字调制中去。,不同的调制信号和不同的调制方式，其调制特性不同。,调制的逆过程称为解调或检波，其作用是将已调信号中的原调制信号恢复出来。,1.3 本课程的特点,高频电子线路广泛应用于通信与电子系统中，高频电子线路的技术指标和设计要求也通常具有系统性。,应用于电子系统和电子设备中的高频电子线路几乎都是由线性的元件和非线性的器件组成的。严格来讲，所有包含非线性器件的电子线路都是非线性电路，只是在不同的使用条件下,非线性器件所表现的非线性程度不同而已。比如对于高频小信号放大器，由于输入的信号足够小，而又要求不失真放大，因此，其中的非线性器件可以用线性等效电路来表示，分析方法也可以用线性电路的分析方法。但是，本书的绝大部分电路都属于非线性电路，一般都用非线性电路的分析方法来分析。,与线性器件不同，对非线性器件的描述通常用多个参数，如直流跨导、时变跨导和平均跨导，而且大都与控制变量有关。在分析非线性器件对输入信号的响应时，不能采用线性电路中行之有效的叠加原理，而必须求解非线性方程(包括代数方程和微分方程)。在实际中，要想精确求解十分困难，一般都采用计算机辅助设计(CAD)的方法进行近似分析。在工程上也往往根据实际情况对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简单的分析方法获得具有实际意义的结果，而不必过分追求其严格性。精确的求解非常困难，也不必要。,高频电子线路能够实现的功能和单元电路很多，实现每一种功能的电路形式更是千差万别，但它们都是基于非线性器件实现的，也都是在为数不多的基本电路的基础上发展而来的。因此，在学习本课程时，要抓住各种电路之间的共性，洞悉各种功能之间的内在联系，而不要局限于掌握一个个具体的电路及其工作原理。当然，熟悉典型的单元电路对识图能力的提高和电路的系统设计都是非常有意义的。近年来，集成电路和数字信号处理(DSP)技术迅速发展，各种通信电路甚至系统都可以做在一个芯片内，称为片上系统(SOC)。但要注意，所有这些电路都是以分立器件为基础的，因此，在学习时要注意“分立为基础，集成为重点，分立为集成服务”的原则。在学习具体电路时，要掌握“管为路用，以路为主”方法,做到以点带面，举一反三，触类旁通。,高频电子线路是在科学技术和生产实践中发展起来的，也只有通过实践才能得到深入的了解。因此，在学习本课程时必须要高度重视实验环节，坚持理论联系实际，在实践中积累丰富的经验。随着计算机技术和电子设计自动化(EDA技术)的发展，越来越多的高频电子线路可以采用EDA软件进行设计、仿真分析和电路板制作，甚至可以做电磁兼容的分析和实际环境下的仿真。因此，掌握先进的高频电路EDA技术，也是学习高频电子线路的一个重要内容。,1-1 画出无线通信收发信机的原理框图，并说出各部分的功用。,1-2 无线通信为什么要用高频信号？“高频”信号指的是什么？,1-3 无线通信为什么要进行调制？如何进行调制？,1-4 无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段的传播特性和应用情况如何？,思考题与习题,