通信电路沈伟慈第一章.doc

第1章 绪论
本章主要内容
1.1 通信系统模型
1.1.1 通信系统的基本组成
1.1.2 无线电发射系统的组成及工作原理
1.1.3 无线电接收系统的组成及工作原理
1.1.4 无线电系统的通信方式
1.2 无线信道及无线电波的传播特性
1.3 本课程的主要内容及特点

课程名称的说明
通信电子线路、高频电路、射频电路以及非线性电子线路等等。
Ø 高频与射频概念的区别与联系
高频和射频指的都是适合于无线传输和无线发射的电信号。
什么电路叫高频呢？
高频电路是指能够产生、处理适合于无线传输和无线发射的电信号的电路，高频电路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分。
无线系统中常用的术语“射频”，实际上就是高频的广义语。它指的是适合于无线电发射和传播的频率。
Question3:究竟什么是高频和射频的上、下限？
Answer:
射频(Radio Frequency)广义地来说，没有严格的定义。
本课本所研究的是f<30MHz的电信号，f在30MHz～4G之间就是下学期我们将要学习的射频电路。
Note：只要电路尺寸小于，就可以用“路”的概念来分析电路。与“路”相对应的“场”，将在《电磁波与电磁场》这门课程中学习。值得注意的是，“路”用的是克希霍夫方程,“场”用的是麦克斯韦方程。
Question4:“无线发射”的(物理)含义。
Question5:如何才能实现有效发射？
Answer4:
“无线发射”指的是“把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播”。
高频电流在天线周围激发同频率的交变磁场，交变磁场又激发起交变电场，交变电场又激发交变磁场，如此反复交叉激发，使电磁能以波的形式传向远方(电磁场与电磁波的课程将讨论这部分内容)。
Note：水波：看得见“碧波荡漾”；声波：悠扬的琴声；这些波的传输，需要媒质。
电磁波，看不见，但它客观存在。我们常看到电磁污染，事实上，我们就置身于一个充满电磁波的世界里。手机、广播电视、雷达、导航、遥控、遥测等技术领域，它们的共同点就是利用电磁波来传递消息。
Question: 无线电波在真空中传播的速度？
在大气层中传播的速度近似等于光速()，可以认为无线电信号在瞬间即可从接收端达到发送端。
Ø 通信系统的概念
l 传输信息的系统称为通信系统。
l 通信的任务就是传递各种信息，信息可以是语言、音乐、文字、图像、数据等。
l 任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。
l 通信系统是指实现这一通信过程的全部技术设备和信道的总和。

Ø 无线通信的发展史
l 1837年，莫尔斯(Morse)发明了电报，开创了通信的新纪元；
l 1864年麦克斯韦（Maxwell）发表了著名论文“电磁场的动力理论”，在总结前人工作的基础上，得出了电磁场方程，从理论上预言了电磁波的存在；
l 1876年贝尔（Bell）发明了有线电话，能直接将语音信号变为电信号沿导线传输；
l 1887年，德国物理学家赫兹（Hertz）用实验证实了电磁波的客观存在，验证了麦克斯韦理论的正确性。
自此以后，许多科学家都致力于研究如何利用电磁波传输信息的问题，即无线通信。其中有著名的英国科学家罗吉（Lodge）、法国的勃兰利（Branly）、俄国的波波夫和意大利的马可尼（Marconi）等，其中马可尼的贡献最为重要。
l 1895年马可尼首次在几百米距离实现了电磁波通信，1901年又完成了横跨大西洋的无线电通信。
从此无线电通信进入实用阶段，无线电技术也就蓬勃发展起来了。
Ø 通信系统的构成
通信系统种类很多，它们的具体设备和业务功能各不相同，但一个完整通信系统的基本组成包括：
信息源、输入变换器、发送设备、信道、接收设备、输出变换器和受信者五部分，通信系统的基本组成如图1-1所示。 1）信息源是指要传送的原始信息，具有各种不同的形式，如：文字、数据、语音、音乐、图像等，一般是非电量。
2）输入变换器或换能器（如：话筒、拾音器、摄像机等）：将信息源输入待传输的信息转换成相应的电信号，这种包含消息的电信号称为基带信号。
例如：利用话筒可以把话音转换成与之作相应变化的电信号；利用摄像管可把图像信号转换成与之作相应变化的电信号。
3）发射机（发送设备）：将基带信号变换为适合信道传输的高频电信号（该过程称为调制），发射机的主要任务是调制和放大，高频已调电信号经过放大后获得足够的功率，然后被送入信道。
变换后的高频信号称为已调信号或频带信号（Passband Signal）。
4）接收机（接收设备）：其功能是从信道接收到的信号恢复成与发射机输入信号一致的基带信号。
因信号经信道传输后，难免有噪声干扰的加入，在接收机中必须滤除这些干扰，确保通信质量。
5）输出换能器：将接收设备输出的电信号还原成原始信息，如声音、图像等。
例如：通过耳机或扬声器把代表话音变化的电信号还原为话音；通过显像管把图像电信号转换成图像信息重现在荧光屏上。
6）噪声源：指信道中的噪声及分散在通信系统中所有噪声的集中表示。
7）信道：是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒质。
通信系统的信道有二大类：
①有线：架空明线、电缆、波导、光缆、光纤、电话、高压电线。
②无线信道：自由空间。如海水、地球表面、自由空间等。
不同媒质有不同的传输特性，相同的媒质对于不同频率的信号，其传输特性有所不同。将在后面讨论。
通信系统通常要完成两种重要的变换。
1） 非电信号电信号和电信号非电信号
在发送端，将要传输的非电量信号转换成电信号，转换得到的电信号一般由零频附件的直流分量和低频信号组成，称为基带信号（Baseband Signal），其特点是频率低，相对带宽较大，如话音信号带宽300Hz～3400Hz，波长几百千米，天线尺寸与波长可比拟难以实现，所以不适合于无线传输，也不适合于发射。为了实现有效发射和传输就必须进行调制。
2） 调制的过程
使高频载波信号的某一参数(幅度AM、频率FM、相位PM)随着要传输的低频电信号而变化，即实现包含消息的低频信号对高频信号的加载。
调制达到的目的：
a）天线有效发射。无线通信中的“发射”是指把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播。只有馈送到天线上的信号波长与天线尺寸可以相比拟时，天线才能有效发射。代表消息的基带信号通常都是低频信号，其波长远远大于天线尺寸，因此基带电信号电流送到天线上，是不能有效地转换成辐射到远方的无线电波的。比如50Hz的信号，＝6000公里，要有效发射，天线长度要几百千米，这样的天线几乎无法实现。
b) 实现有效传输。
高频具有宽阔的频段，能容纳许多互不干扰的频道，从而传输某些宽频带信号。我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占据一定的带宽。也就是说，代表消息的电信号通常都具有复杂的波形。它含有许多频率分量，因而占有一定的频率范围。单纯的正弦波不携带任何信息。要听懂对方的语音需要传递信号的频率300Hz～3400Hz。这个频段。要传送一个语音信号至少要3kHz的频带。普通电话就是这样设计的，因为电话的声音只能听懂，但不悦耳，也不能逼真。为了相当逼真的传送语音和音乐信号，需占据6～15kHz的带宽。(在调频广播中，其信号频率范围规定为50Hz～15kHz)，这是广播所要求的频率。电视中的图像信号，波形较复杂。它会有宽广的频率分量，图像信号占据的带宽为0～6MHz。一路彩电加上伴音信号要占据8MHz带宽。而一条通信线路一般只能有不超过10％的相对带宽(),其中为载波频率，越高，则越大，所能容纳的、互不干扰的信息就越多，传输的信息容量就越大。这就是为什么无线通信要通过调制之后才能进行发射传输的原因。
c）实现信道的复用，提高信道利用率。
音频信号的频谱分布几乎在同一范围，都集中在20Hz～20kHz。如果直接把反映原始信息的电信号通过天线以辐射电磁波的形式传送，则无法保证同时传送多路信息而又不相互干扰，并且不利于接收端正确区分二路以上的信息，因此必须把要传送的信息分开。
下述内容作为了解
1) 在本课程即将学习的AM、FM中，是通过调制实现频带分离。这种分离信号的方法称为FDMA(频分复用)。
2) 另一种方法称为时分复用(TDMA)。两个或两个以上的信号共享相同的频带，但在不同的时间段使用。人耳在接收时，可以将不同的时间段结合起来，感觉上就像信号是连续的一样。
3) 扩展频谱技术称为CDMA(码分多址)。多个用户连续使用一个较宽的频带，然而每个用户发送和接收数据时，使用接收的方式进行编码，以便能够和所有其他用户区分开来。

Ø 无线电发射系统的组成及工作原理
无线电广播调幅发射系统应用及其广泛，图1-2给出调幅发射机原理框图
发射机的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。
工作原理:原始信号（语音、图像、数据等）经过换能器转换为电信号，用该低频基带信号对高频载波进行调制，将已调波信号经过功率放大器放大后通过天线发射出去。
发射机通常由高频、低频、电源和天线4部分组成。
高频部分包括：
主振荡器（master oscillator）：由石英晶体振荡器产生频率稳定的高频振荡；
缓冲级（buffer）：实质上是一种吸收功率小、工作稳定的放大级，其作用是减弱后级对主振荡器的影响；
倍频器（frequency double）：将主振荡器的频率提高到需要的频率值；
高频放大器（amplifier）：放大高频信号，以达到推动末级功率放大器的电平；
调制器（modulator）：完成低频信号对高频载波信号的加载；
末级功率放大器（power amplifier）：将输出功率提高到所需的发射功率。
低频部分将用于实现声电变换，并将音频信号逐级放大到调制所需功率，对高频载波进行调制。低频部分包括声电变换器（话筒）、低频放大器、低频功率放大器。
直流电源：给各部分电路提供直流电能。
天线：把高频已调信号转换为空间电磁波辐射出去。
Ø 无线电接收系统的组成及工作原理
无线电信号的接收过程与发射过程相反，其根本任务就是准确恢复信息。为了提高灵敏度，目前无线电接收机都采用超外差式，系统方框图见图1-3。
无线电接收系统包括选频回路、高频小信号调谐放大器、混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频功放和喇叭。超外差接收机工作原理：收天线收到微弱高频调幅信号，经输入回路选频后，通过高频放大器放大，送到混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信号进行混频，混频后得到中频信号的包络形状与天线感应输入的高频信号的包络完全相同，经中频放大后送到检波器，检出原调制的低频信号，经功率放大去推动扬声器。
超外差接收机(super heterodyne receiver)的主要特点是把天线感应进来的不同已调波信号的载波频率，通过混频转换为固定中频 (intermediate frequency)的已调信号，通常中频频率要比接收信号频率低得多。
我国广播收音机的中频为465KHz ，电视接收机的图像中频为38MHz。由于中频频率是较低的固定中频，中频放大器的谐振回路在接收机选频时不需要调整，显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度。这是无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因。
Ø 无线电系统的通信方式
如果通信只在点与点之间进行，那么按消息的传送方向与时间，通信的方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。
单工通信是指消息只能单方向进行传输的工作方式，如图1-4（a）所示，如广播、遥控就是单工通信方式；
半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但收和发不能同时进行的工作方式，如图1-4（b）所示，
使用同一载频工作的对讲机就是按这种通信方式工作的，当一方占用载频发送信息时，另一方只能接收信息；
全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，如图1-4（c）所示，普通电话就是最简单的全双工通信方式。
Ø 无线信道及无线电波的传播特性
无线通信信道主要是自由空间。由于地球表面及空间层的环
境条件不同，发射的无线电波因其频率或波长不同，传播特性也不相同。
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。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率，不同频段的无线电信号都各自有最适宜的传播方式，而传播方式
又决定了其传播距离和传播特点。
无线电波的传播方式主要有绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播、直射（视距）传播及散射传播。
图1-5给出无线电波的几种主要传播方式。
1） 绕射（地波）传播
f<1.5MHz。电磁波主要沿地表面波传播，称地波, 如图1-5（a）所示。
大地是个导体，但不是理想导体。当电磁波沿其表面传播时，有部分能量被损耗掉，f越高,趋肤效应越严重，损耗越大。因此，频率较高的电磁波不宜采用绕射方式，不宜沿地面传输，最适宜于采用地面波传播方式的是长波和中波。
优点：地球的地貌和导电性短时间不会变化，故地面波传播特性稳定、可靠。
主要应用：无线电导航、中波无线电通信和中波广播。
2） 折射和反射（天波）传播
1.5MHz～30MHz。主要靠电离层折射，称为天波。
天波：通过高空电离层的折射和反射返回地面的无线电波叫天波，如图1-5（b）所示。
电离层离地面约60450Km。被电离了的大气层，当无线电波到达电离层，一部分能量被电离层吸收后损失，另一部分能量被电离层反射和折射回地面。一般f↑，在电离层中被吸收的能量越少。但随着f越高，无线电波穿入电离层越深，当频率超过一定值后，无线电波将穿透电离层。
最适宜于天波传播方式的是短波波段(5MHz～30MHz)。由于受太阳照射的影响，电离层的高度、密度都在发生变化，这是造成短波波段采用天波传播不稳定的原因。
现象：接受短波时，声音忽大、忽小，有时甚至完全收听不到。优点：传播的距离很远。
主要应用：远距离无线电广播、短波无线电通信、国际无线电广播都采用天波传播。
3） 直射（视距）传播（空间波）
空间波(直射波传播)：电波从发射天线出发，沿直线传播到接收天线的传输方式称为直射传播（空间波）如图1-5（c）所示。
对于频率在30MHz以上，进入米波、分米波、厘米波波段，以地面波方式传播衰减极大，以天波方式传播将穿透电离层不能返回地面，只能以空间波方式在视距范围内传播。
由于地球表面是弯曲的，空间波的传播受限于视距范围。天线越高，传输距离越远。几十米高的铁塔，通信距离为50km～60km。克服视距传播。①微波中继通信②卫星通信。
4） 散射传播
对流层：在离地面大约10km～13km的范围内的大气层叫对流层。该层空气密度较高，所有的大气现象(如风、雨、雷、电等)都发生在这一层。
散射：对流层中存在各种不同尺度的非均匀介质体，当无线电波辐射到这种不均匀介质体上时，它将入射波的能量向四面八方辐射，称之为散射。
利用高空对流层介质不均匀体对无线电波的散射作用进行传播的方式，叫散射通信。图1-5（d）给出散射传播示意图。
对散射作个比喻：东方鱼肚白，是大气对阳光的散射作用。散射传播主要发生在400MHz～10000MHz，属于超短波和微波范围。对流层散射传播的通信距离大约为100km～500km，电磁波经对流层散射后能量损失很大，所以对流层散射通信要求使用大功率的发射机，高灵敏度的接收机和方向性强的天线。

Question7: 为什么在无线电技术中，大都利用无线电传播，而无线电传播一般都采用高频(射频)？
Answer:
主要原因有两个：
(1)高频适合于无线辐射，从而在空中产生无线电波。
只有当无线的尺寸大到可以与要发射电磁波的波长相比拟时，天线的辐射效率才会较高。从而实现以较小的信号功率传播较远的距离。接收天线才能有效地接收信号。
50Hz的信号，＝6000公里。要有效发射，天线可能得架到航母上。
(2)高频具有宽阔的频段，能容纳许多互不干扰的频道，从而传输某些宽频带信号。
我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占据一定的带宽。也就是说，代表消息的电信号通常都具有复杂的波形。它含有许多频率分量，因而占有一定的频率范围(20Hz～20k)。单纯的正弦波不携带任何信息。要听懂对方的语音需要传递信号的频率300Hz～3400Hz。这个频段。要传送一个语音信号至少要3kHz的频带。普通电话就是这样设计的，因为电话的声音只能听懂，但不悦耳，也不能逼真。为了相当逼真的传送语音和音乐信号，需占据6～15kHz的带宽。(在调频广播中，其信号频率范围规定为50Hz～15kHz)，这是广播所要求的频率。
电视中的图像信号，波形较复杂。它会有宽广的频率分量，图像信号占据的带宽为0～6MHz。一路彩电加上伴音信号要占据8MHz带宽。
为了与话音信号相区别，常称它为视频信号。
总结：
代表息消息的电信号的一个基本特征时它占据一定的频率范围，而且消息信号频谱的低端都伸展到很低的频率范围。
如果要传输几千路电话，几十路电视，需占据的频带便是吉赫兹(频率的单位Hz、kHz：、MHz：、GHz：、THz：)
根据目前的通信水平，一条通信线路只能有不超过10%的相对带宽()
载频越高，则越宽，信息量就越大，从而可容纳许多互不干扰的信道。这就是为何无线通信不断向高端发展的原因。

Question8:为什么无线电传播都要高频？
Answer:
①高频适合于无线辐射。
②高频具有宽阔的频段。
一条通信线路一般只能有不超过10％的相对带宽，(,其中为载波频率，越高，越高，所能容纳的、互不干扰的信息就越多，传输的信息容量就越大。这就是无线通信不断向高端发展的原因。新一代的GSM频段已经从900MHz频段到1700MHz～1800MHz电磁波谱。
1.3.3 电磁波的波谱
无线电波(0.8μm～1.7μm，光纤通信，无线通信中赖以传递消息的电磁波，教材P3给出的频段的划分)→红外线→可见光→紫外线→X射线(伦琴射线)→射线
目前，广播的频段：535kHz～1605kHz，短波：2MHz～24MHz，调频：88MHz～108MHz。
激光的基频，比微波频率f(300MHz～300GHz)高倍。通信容量比微波已宽了几万倍。
无线电波是无线电技术邻域中，赖以传递消息的电磁波，频率较光波略低的电磁波。这一频率被划分为许多波段。
表1.1
波段
频段
频率范围
用途
超长波
VLF(甚低频)
3Hz～30kHz
音频、电话、数据通信
长波
LF(低频)
30 kHz～300kHz
导航、信标、电力线通信
中波
MF(中频)
300 kHz～3MHz
AM广播、业余无线电
短波
HF(高频)
3MHz～30MHz
移动电话、短波广播
米波(超外波)
VHF(甚高频)
30MHz～300MHz
FM广播、TV、导航、移动通信
分米波
UHF(超高频)
300MHz～30GHz
TV、遥控、遥测、雷达、移动通信
厘米波
SHF(特高频)
3GHz～30GHz
微波通信、卫星通信、雷达
毫米波
EHF(极高频)
30GHz～300GHz
微波通信、雷达、射电天文

目前无线电广播常用的无线电波的波段：

电视使用的频率，包括

1.3.4调幅发射机与超外差接收机
在超外差收音机中，中频频率选得要比接收信号频率低得多。我国广播收音机的中频为465kHz。电视机的图像中频为38MHz。
由于中频频率是较低的固定中频，中频放大器的谐振回路在接收机选频时不需要调整，因而谐振回路的选择性、通频带都可以做的比较好。中频放大器的？频率？放大器也比高频放大器的高。
特点：把在不同载波频率上工作的高频已调信号经混频后转换为固定中频的已调信号，经放大、选择后，再进行检波，显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度。这是无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因。

1.3.5 电信号的表示方法
①时间特性：无线电信号表示为电压或电流的时间函数，通常用时域波形和数学表达式来描述。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。
②频率特性：简单信号(正弦波，周期性方波)用时间特性表示较方便，而对于一些复杂信号(如话音信号、图像信号等)，用频谱分析法较为方便。
我们知道，任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和。
² 周期信号，可以表示为许多离散的频率分量(各分量间或谐频关系)。
基波分量，幅度最大，随谐波次数增加，功率减少。
² 非周期信号，可以用傅立叶变换的方法分解为连续谱，信号为连续谱的积分。
频谱特性分为
分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。
任何包含消息的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者频带宽度。

1.4通信电路的研究课题
通信电子线路主要研究无线电接收、发射机系统的构成、工作原理、性能分析及设计方法。
计算机辅助分析和设计在通信领域得到了极其广泛的应用，cut-and-try的时代已经结束了。
调制是现代通信重点研究的课题之一，模拟调制是我们学习的重点。
通信电子线路是一门工程性和实践性非常强的课程。如果仅限于了解基本规律，会做两个习题，那是远远不够的。必须把培养动手能力和电路设计能力融入教学中。

1.5 学习内容
高频功率放大器、振荡器、混频、调制(AM、FM、PM)、解调(检波、鉴频、鉴相)。
1.6本课程要求
理论教学掌握基本理论和基础知识。
实践教学：实验和EDA
理论只有经过实践过程才能得到巩固和升华，创新能力要在实践中才能培养出来。
² 本课程的特点：高频、非线性。
非线性电路的严格分析涉及求解非线性微分方程，求解非常困难。工程上常采用近似的方法，如：折线法、幂级数法、线性时变参数法，这些都是本学期的课程内容。
² 本课程学习方法
本课程是理论与实际紧密联系的课程。一切理论分析都应围绕解决工程实际问题进行。在电路分析时，并不追求精确结果。
课程学习中应注意：
① 各单元电路的学习。
a. 首先时把握工作原理，所实现的功能。对于理论推导，精确计算掌握电路即可。
b. 其次强调单元电路的指标。衡量模电的好坏，其指标非常重要。在学习功能模块时，不仅要了解电路的工作机理，还应掌握衡量它的指标，及影响性能指标的因素及改进方法。
② 实践时学好本课程的重要环节。
这里要特别强调掌握EDA技术(电子设计自动化)。
由于电路的复杂化，射频越高，辐射效应、寄生效应、耦合效应等等，使得电路设计很难采用人工手算的方法实现。现引用于射频设计的EDA软件较多，还有ADS、Ansoft designer，APPCAD，MMICA，Psiece等等。
掌握先进的射频EDA技术是学习高频电子线路的一个重要内容。有些EDA功能强大，但使用比较困难，需要不断摸索。Time consuming,but rewarding。
² 参考书
1.6基本知识点
1．
2.语言信号：300～3400Hz
3.音域宽广的音乐信号所占的频带：20Hz～20kHz。