第一章(胡宴如耿苏燕主编).

高频电子线路主要参考书：高等教育出版社，胡宴如、耿苏燕主编主讲人：罗来成E-meil：[e-mail]时间：2016年3月-6月友情提示：如何学好高频课•课程性质：理论联系实践，突出重点，重应用，强调物理概念，强调工程实践。•每次课程结束附有小练习，望各位同学认真做答，内含各位同学期待的期末考试内容。•期末考试闭卷，主要有选择题、填空题、判断题、简答题、综合题。•从各个角度消化课堂知识。第一章绪论通信与通信系统无线电波的基本特点非线性电路的基本概念本课程的主要内容及特点主要内容：1.1通信与通信系统主要要求：掌握通信系统的基本组成及各组成部分的作用了解调幅广播通信系统的基本组成及各组成部分的作用了解数字通信系统的基本组成及各组成部分的作用理解通信系统中为何要采用调制技术1.1、通信与通信系统通信系统：用电信号（或光信号）传输信号的系统称为通信系统，也称电信系统。通信系统的组成：一般通信系统由输入、输出变换器，发送、接收设备和信道等组成。通信：发送者与接收者之间的信息传递1.1、通信与通信系统无线通信系统组成框图信源输入变换器发送设备信道接收设备输出变换器输出通信系统基本组成基带信号(低频信号)调制已调信号(高频信号)噪声与干扰解调基带信号(低频信号)•各部分作用1)信息源：提供需要传送的信息；2)输入变换器：将信息源（图像、声音等）的信息变换成电信号，把该信号称为基带信号；3)发射机：将基带信号进行某种处理，并以足够的功率送入信道，以实现有效的传送，其中最主要的处理为调制，调制后的信号称为已调信号，或已调波；1.1、通信与通信系统4）信道：信息的传送通道，又称传输媒介。信道可分为无线信道和有线信道两大类；5）接收机：把由信道传送过来的已调信号取出并进行处理，得到与发送相对应的原基带信号，把这一过程称为解调；6）输出变换器：把基带信号恢复成原来形式的信息。1.1、通信与通信系统•通信系统按传输的基带信号不同，分为模拟通信系统和数字通信系统两大类。1）模拟通信系统：直接传输模拟信号（即基带信号为模拟信号）的通信系统,称为模拟通信系统。典型的模拟通信系统的发送设备的组成框图和接收设备的组成框图分别如图2和图3所示。图2为调幅发射机的组成框图。图3为超外差式调幅接收机的组成框图。1.1、通信与通信系统•典型调幅发送设备的组成框图1.1、通信与通信系统1.1、通信与通信系统—调幅发射机各部分的作用•高频振荡器：产生高频电振荡信号，这种高频电波是用来运载基带信号，称为载波，或载频。•倍频器：输出信号的频率是输入信号频率整数倍的电路，称为倍频器。作用提高高频振荡频率。•高频放大器：把振荡器产生的高频振荡放大到一定的幅度。1.1、通信与通信系统—调幅发射机各部分的作用•高频功率放大器与调幅器：作用是将输入的高频载波信号和低频调制信号变换成高频已调信号，并以足够大的功率输送到天线，然后辐射到空间；•话筒（拾音器）：输入变换器，它的作用是把声音信源转变成电信号，称为音频信号，即基带信号或调制信号；•低频放大器：把话筒变换的音频信号放大到一定的幅度，以实现一定的调制度。•调制1)什么是调制？把待传送基带信号（调制信号）“装载”到高频振荡信号上去的过程。2)三种信号调制信号、载波信号和已调信号3)三种调制方式调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）1.1、通信与通信系统—调幅发射机各部分的作用1.1、通信与通信系统•为什么要调制因为信号源直接发送存在的问题，主要有以下两点：1)天线尺寸天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长λ的1/10~1），信号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围20Hz~20kHz来说，这样的天线不可能实现。2)信号选择如果直接发射，多家电台的发射信号频率范围大致相同，接收机无法区分。为何要调制？1.天线尺寸大于信号波长的十分之一，信号才能有效发射。例如f=1kHz，则00km3s/10m/s10338fC天线长度需大于30km，显然是不现实的常用基带信号频率范围：图像信号0~6MHz语音300Hz~3.4kHz音乐16Hz~20kHz直接进行传输是不现实的。2.实现信道的频率复用•三种调制方式用待传送基带信号去改变高频振荡信号的某一参量，就可以实现调制。•振幅调制：用基带信号去改变高频振荡信号的振幅，则称为振幅调制，简称调幅；•频率调制：用基带信号去改变高频振荡信号的频率，则称为频率调制，简称调频；•相位调制：用基带信号去改变高频振荡信号的相位，则称为相位调制，简称调相。1.1、通信与通信系统—调幅发射机各部分的作用•典型超外差调幅接收设备的组成框图1.1、通信与通信系统1.1、通信与通信系统•超外差接收机1)什么是超外差接收机？为了提高接收机的性能，目前广泛采用超外差接收方式，超外差接收机的结构特点是具有混频器。接收机将天线接收的高频已调信号的载波信号经高频放大器进行初步的选择和放大，并抑制其它无用信号。高频放大器输出的载频为已调信号和本地振荡器所提供的频率为的高频等幅信号同时输入混频fLfC1.1、通信与通信系统器，在其输出端就可获得载频频率固定的信号，通常取＝－，把此频率称为中频信号，此中频信号经中频放大器放大到足够值，然后经解调器解调，可恢复出原基带信号，经低频放大后输出。2)混频器的作用混频的作用是将接收的已调信号的载频频率变为一固定中频信号。超外差接收机的结构特点是具有混频器。fififCfL1.1、通信与通信系统•解调——信号的“卸载”1)什么是解调？从高频已调波信号中“取出”调制信号的过程。2)解调的三种方式①对调幅波的解调——检波②对调频波的解调——鉴频③对调相波的解调——鉴相根据信道不同分有线通信系统无线通信系统根据基带信号不同分模拟通信系统数字通信系统广播通信系统电视通信系统双工：发送者接收者如电话单工：发送者接收者如广播、电视半双工：发送者接收者如对讲根据通信方式不同分1.1、通信与通信系统通信系统的分类模拟通信系统以典型的中短波调幅广播通信系统为例，介绍其组成及各部分作用直接传输模拟信号的通信系统数字通信系统传输数字信号的通信系统模拟通信系统数字通信系统用数字基带信号去控制高频信号的振幅，称为振幅键控ASK频率，称为频率键控FSK相位，称为相位键控PSK数字调制：用数字基带信号对高频正弦波进行的调制什么叫数字通信系统？数字通信是计算机技术和通信技术相结合的产物，是计算机与计算机之间的通信，或终端与计算机之间的通信。数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，它同样可以去控制正弦振荡的振幅、频率或相位的变化。传输数字信号（即基带信号为数字信号）的通信统,称为数字通信系统。但由于数字信号的特点——时间和取值的离散性，使受控参数离散化而出现“开关控制”，称为“键控法”。数字通信系统抗干扰、抗噪声能力强，易利用计算机进行处理。数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK（Amplitude-ShiftKeying）对载波频率调制称为频移键控，即FSK（Frequency-ShiftKeying）对载波相位调制称为相移键控（即相位键控）PSK（Phase-ShiftKeying）幅度调制（ASK）、频率调制（FSK）、相位调制（PSK）。图4二进制数字调制的波形和方框图高频小信号放大电路、高频功率放大电路、振荡电路、调制电路、解调电路、混频器、倍频器、低频放大电路、反馈控制电路等。通信系统的基本单元电路非线性电路高频电路1.1、通信与通信系统1.2无线电波段的划分与无线电波的传播主要要求：了解无线电波段的划分了解无线电波的传播方式及其特点无线电波的基本特点•无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相同，且有λ=c/f。•无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。•无线电波的三种传播途径（如图）：一、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10010km330kHz甚低频VLF长波中波短波超短波(米波)101km1000200m20010m101m30300kHz0.31.5MHz1.530MHz30300MHz低频LF中频MF高频HF甚高频VHF微波分米波厘米波毫米波亚毫米波10010cm101cm101mm10.1mm0.33GHz330GHz30300GHz3003000GHz特高频UHF超高频SHF极高频EHF超极高频光波1001m3300THz1T=1012fc＝中波广播530kHz~1602kHz短波5.8~18MHzFM88~108MHz二、无线电波的传播方式及其应用沿地面传播长波、超长波特点传输稳定，远距离传输沿空间直线传播（视距传播）超短波以上距离短依靠电离层传播电离层短波(地波)(空间波)(天波)距离远波段名称传播主要应用超长波地波潜艇通信、远洋通信、远程导航、发送标准时间信号等长波地波除上述外，还用于低下通信中波地波为主广播、导航、船舶通信、飞行通信、船港通信等短波天波为主中远距离的广播与通信等超短波(米波)空间波调频广播、电视、移动通信、雷达、导航等微波分米波厘米波毫米波亚毫米波空间波电视、雷达、卫星通信、中继通信等光波1.3非线性电子线路的基本概念1.3.1线性与非线性电路线性电路—全部由线性或处于线性工作状态的元器件组成的电路非线性电路—有一个以上非线性元器件组成的电路线性元件：R、L、C非线性元件：二极管、三极管….uiOUIuiOIQUQQui非线性元件在正弦波作用下的波形uiOIQUQQuttiO线性非线性图1.3.11.3、非线性电路的基本概念非线性元器件和线性元器件主要差别在于其工作特性是非线性的，它的参数不是一个常数，它的参数和外加电压或通过的电流大小有关。各种二极管、晶体管等电子器件都是非线性器件，而常见的电阻器、平板电容和空心电感线圈等都是线性器件。图1.3.1为线性与非线性电阻器件的伏安特性。从图可见线性电阻器件的伏安特性是过坐标原点的一条直线，即流过电阻器的电流i与加在电阻器两端的电压u成正比；而非线性电阻器件的伏安特性是非线性的，即流过非线性电阻器的电流i与加在电阻器两端的电压u不成正比。1.3.2非线性电路的基本概念设i=au2当u=u1+u2则i=a(u12+u22+2u1u2)i=a(U21mcos21t+U22mcos22t+2U1mcos1tU2mcos2t)设u1=U1mcos1tu2=U2mcos2t)2cos1(a11m221tU)2cos1(a22m221tU])cos()[cos(a21212m1mttUU)a(2m21m221UU)2cos2cosa(22m211m221tUtUtUU)cos(a212m1m))cos(a212m1mtUU直流成分二次谐波频率和分量频率差分量1.产生了新的频率分量,可变换频率(混频器);2.迭加定理不再适用;3.Q合适且信号小时,可按线性电路处理.思考讨论题1.3、非线性电路的基本概念•线性电路全部由线性或处于线性工作状态的元器件组成的电路，称为线性电路。•非线性电路电路中只要含有一个元器件是非线性的或处于非线性工作状态，称为非线性电路。但是当作用在非线性器件上的信号很小、工作点取得适当时非线性器件近似处于线性工作状态，可当作线性器件。例如在模拟电子技术中的晶体三级管放大器，在小信号作用下，在直流工作点Q处可近似作为线性器件，微变等效分析法，就是基于这一点为基础的。1.3、非线性电路的基本概念•非线性电路的基本特点1）非线性电路能够产生新的频率分量，具有频率变换作用；2）非线性电路分析上不适用叠加定理；3）当作用信号很小、工作点取得适当时，非线性电路可近似按线性电路进行分析。1.4、本课程的主要内容及特点本课程主要是研究通信系统中共用的基本单元电路，其内容包括高频小信号放大器、高频功率放大器、正弦波振荡器、调制与解调电路、混频电路、反馈控制电路等。除了高频小信号放大器为线性电路，其余都属于非线性电子线路。因此要注意以下几点