电子系统RF与天线第一章

电子系统RF与天线通信学院蔡竟业通信大楼308室83202514（O）[e-mail]通信学院教师园地本课程的教学目的通过对有关内容的介绍，使同学们对电子系统（主要指无线通信系统）的基本构成、系统方案和主要功能（RF）电路设计思想的基本知识有所掌握！主要内容一、系统的基本组成，以及从系统层面进行设计应注意的问题。二、主要功能(RF)电路设计的基本原理与方法。三、无线电波的传播概论与通信天线（无线信道）。学习方法本课程为一门较为综合性的课程，目前尚无适当的教材（尤其是第一部分的内容尚无专门的参考书）。因此，希望同学们注意记好笔记。参考书中介绍详细的内容，课堂上只作简单讲述！自己多看书！教学方式：课堂讲授+讨论+实验+学习报告讲授中出现的不足之处与错误，欢迎同学批评指正！成绩的取得与参考书目成绩的取得：学习考评（考察）学习考评+设计报告（考试）参考书目：1《射频电路设计-理论与应用》(美)ReinholdLundwing,PavelBretchko2《微波技术与天线》刘学观，郭辉萍西安电子科技大学出版社3《射频通信电路》陈邦媛科学出版社第一章无线通信系统简介引言电子通信系统的基本目的(任务):将信息从一个地方传到另一个地方。它是当今广泛采用的最简捷的通信方式。先贤有云：温故而知新！我们有必要了解其发展过程！电子通信发展简史1837年摩尔斯（SamuelMorse）发明了利用电磁感应原理，以点、划、空格为形式的有线电报通信。1876年贝尔（AlexanderGrahamBell）和华特生（ThomasA.Watson）发明了电话。1894年马可尼（GuglielmoMarconi）发明了无线电报。首次实现了通过大气层的无线通信。1908年德福莱斯特（LeeDeForest）发明了真空三极管。从而实现了对电信号的放大发展简史1920年首家调幅信号商用无线电台开播。1933年阿姆斯特朗（EdwinHowardArmstrong）发明频率调制（FM）。1936年首家商用FM电台开播。1946年首家公众移动电话服务在美面世。1954~1964年卫星通信从实验逐渐走向成熟发展简史1965年“晨鸟”（INTELSAT-1）卫星正式承担国际通信业务。1979年首个蜂窝系统在日本开通。1990年GSM系统在欧洲开通。1995年GSM系统在中国开通。今天在中国大陆仅GSM系统用户就已超过了3亿！1.1无线通信系统的组成通信系统其工作过程通常为将信息转换为电（磁）信号，再通过媒介（有线或无线）进行传输，在接收端将信号还原（解调）为信息信源发信机发信机信宿信道媒介当信道为空间时，即“所谓”无线通信1.1.1工作方式1.单工(SX)甲（发）乙（收）2.半双工(HDX)时刻1甲（发）乙（收）时刻2甲（收）乙（发）1.1.1工作方式全双工(FDX)全/全双工(F/FDX)甲乙收发甲乙丙1.1.2电磁频谱当今影响电子(尤其是无线)通信系统发展的一个最重要因素是：不可再生的频谱资源！！所有新理论/技术的出现，本质上无不是为了在频谱（带宽）受限的条件下传送更多的信息或容纳更多的通信用户。1.1.2电磁频谱各国的管理部门又组成ITU（国际电信联盟）负责对全球的频谱资源进行协调分配和管理。通常频谱资源由所在国（地区）的政府的有关部门统一管理（我国为无委会）1.1.2电磁频谱不同频段的通信方式与用途可以说是千差万别。但基本上都是以谁最先提出而又得到公认的标准和用途以及技术为准。所以标准的提出尤为重要。目前为止，已知的电磁频谱频率范围大约为：100~1022Hz.当今最为通用的频段划分是由国际电气和电子工程师学会(IEEE)建立的表1.1IEEE频段划分频段频率波长主要用途ELF(极低频)30~300Hz10000~1000km工频（交流配电）信号、低频遥测信号VF(音频)300~3000Hz1000~100km话音频带（信道）VLF(甚低频)3~30kHz100~10km人类听觉高端（音乐、声纳）政府或军事系统，如潜艇通信LF(低频)30~300kHz10~1km船舶与航空导航MF(中频)300~3000kHz1~0.1km商用AM无线广播HF(高频)3~30MHz100~10m短波广播、短波通信电台、业余无线电台VHF(甚高频)30~300MHz10~1m商业FM广播（88~108MHz）商业电视（54~216MHz2~13频道）移动通信（集群）、船舶、航空通信表1.1续频段频率波长主要用途UHF(特高频)300~3000MHz1~0.1m商业电视（14~83频道）、陆上移动、蜂窝电话、雷达、导航系统。微波及卫星无线电系统SHF(超高频)3~30GHz10~1cm微波及卫星无线电系统EHF(极高频)毫米波30~300GHz1~0.1cm视距通信，波束方向集中，目前主要用于保密性要求高的军事领域。亚毫米波300~3000GHz1~0.1mm光纤通信红外0.3THz~300THz可见光0.3PHz~3PHz紫外1016HzX射线1019Hz伽马射线1020Hz宇宙射线=1022Hz表1.2我国工程常用划分P波段0.23~1GHz130~30cmL波段1~2GHz30~15cmS波段2~4GHz15~7.5cmC波段4~8GHz7.5~3.75cmX波段8~12.5GHz3.75~2.4cmKu波段12.5~18GHz2.4~1.67cmK波段18~26.5GHz1.67~1.13cmKa波段26.5~40GHz1.13~0.75cm对频段的划分不可能给出精确的界限。它们是有交叉的。注意对电子通信系统而言，其一个实用的界线即波长是否与电子系统的实际尺寸相当。在这个界限上/下我们采用的分析理论将发生较大变化------路/场RF频段现在通常指VHF~X波段。这个频段也是目前大多数集总元件能达到的工作频段。本门课程介绍的频段还包括HF频段（短波与超短波通信）。1.1.3无线通信系统的组成如前所述，当电子通信系统的信道媒介为大气空间时，即所谓的“无线通信”。此时，通信系统主要由发送机和接收机两部分组成。下面分别加以介绍。1.发送发送部分的基本框图如下：调制中放变频功放模拟电路（传统系统）发信机待发基带信号发射天线发送过程大致为：1.调制即将基带信号调制到通信载波上，某些应用领域还有一个对基带信号加密等其它的步骤。1.发送2.中放变频在这一步，不但要对调制之后的信号作基本的放大，还要将信号变频到实际通信的频段（频道）。3.功放主要是将信号的功率放大到满足通信（距离）的要求。4.发射天线将信号有效的发射出去，除了发送功率（效率）之外，有时还有方向，以及电波传播方式的选择。1.发送对于发送系统硬件电路系统而言，最困难的部分就在于中放变频和RF功放。中放变频难点主要在于变频系统方案的设计，好的系统方案设计可能产生的相关干扰较少，甚至还可能降低对参与变频的本地振荡信号的要求。RF功放难点主要在于功率效率和线性度。上述两点一直是通信电路的重要研究内容。2.接收接收的过程可以说是发送的逆过程，其方框如下：解调中放变频选频放大模拟电路（传统系统）收信机基带输出信号接收天线2.接收对于接收系统而言，最困难的部分就在于前端。因为空间中充满了各种各样的电磁信号，有用信号也在其中，如何既有效的接收到有用信号，同时还需尽可能的将无用信号抑制下去，一直是通信中的一个重要研究课题。对于实际的通信机，基本上都同时包括了发送和接受两个部分。其他的一些组成部分上面我们粗略的介绍了无线通信系统的组成，事实上现代的无线通信系统，不仅上述部分在变化发展,还有其他的一些组成部分,如：1.自适应选频：自动侦测，选择最佳的通信信道，甚至通信方式。2.同步系统：如对于跳频通信系统（载波频率随时在跳变），就有同步问题。现代通信机的组成另外，随着电子技术中集成电路技术的发展，通信系统愈来愈小巧且功能更复杂。随着数字（电路）处理技术的发展，通信系统中数字电路的成分愈来愈多！“软件无线电”就是其中一个最为明显的（趋势）例子。现代通信机的组成现代通信机的组成大致如下：数字处理DACADC中放变频中放变频功放选频放大数字芯片电路混合电路模拟电路收发转换开关天线随着数字处理芯片与ADC/DAC工作频率的提高，模拟电路部分有进一步减少的趋势，但也绝不会完全消亡！方案设计尤为重要因此，方案设计尤为重要！！一方面通信频率不断提高；另一方面模拟电路本身现在也得到了飞速的发展，集成模块愈来愈多，分立电路应用愈来愈少。设计师愈来愈多的工作在于如何选择与应用好集成电路。本门课程将加重方案设计方面的内容。信道和信道机通信的目的是将信息从“信源”传送到“信宿”。从“信源”到“信宿”从广义的角度而言，其中间部分都可称之为信道或信道机。信道机这样，信道机就既包括了收/发信机，也包括了传输媒介，我们在后面的分析介绍也将以信道机方式进行。发信机传输媒介收信机信道机信源信宿1.2无线通信中的基本信号与参数1.2.1基本信号在电子通信系统中，最基本的信号为正弦（余弦）信号。典型的理想单频正弦信号的数学表征如下：)]([)2()(0000tSinVtSinVtV其中：V0为正弦时变信号的峰值（单位：V）0为正弦信号的频率（单位：Hz）θ0为正弦时变信号的初始相移（单位：弧度）Φ(t)为正弦时变信号的相角（单位：弧度）信号调制对于实际电子通信系统，V(t)通常被称为载波信号。其0决定了通信系统实际工作的频段（波段）。V(t)有一个变量（t）。三个参量（V0，0，θ0或Φ(t)），几乎所有的通信都是将基带（信息）信号调制在V(t)上（通过三个参量进行调制）而完成的。信号调制1.对V0进行调制——〉AM例如中波广播2.对0进行调制——〉FM例如超短波调频广播3.对θ0/Φ(t)进行调制——〉ΦM(间接调频)例如GPS定位与导航4.组合调制——〉对二个以上参量同时进行调制例如短波SSB通信=AM+ΦM1.2.2相位噪声理想正弦（载波）信号)2()(000tSinVtV其中V0，V0，φ0均为常数实际正弦（载波）信号)](2[)](1[)(00ttSintVtVα(t)为寄生调幅，通常α(t)《1，比较容易去除掉，如加限幅器（或调谐放大器），故对通信影响不大！1.2.2相位噪声(t)代表寄生调相，很难去除，是影响正弦信号的频谱纯度的主要因素。在不考虑α(t)时，实际信号可表示为)](2[)(00ttCosVtV此时信号的频谱将在主谱（0处）两边出现边带噪声。该边带噪声位于已调信号通带的部分将直接影响解调后的信噪比，十分有害，故必须引起足够的重视。1.2.2相位噪声)(21)(nVnSL21141mPSN22241mPSN20m10m010m20m1.2.2相位噪声一般情况下，寄生调相可表示为：ttttmmmmn2211coscos)()(上式中为随机相位噪声，)(tn)3,2,1(cositmimi为周期性的杂散干扰,通常有()1t下面分别讨论相位噪声和杂散随机相位噪声)()(ttn上式等号右边第一项是原理想载波信号；)](2[)(00ttCosVtVn)]([)2()]([)2(0000tSintSinVtCostCosVnn)1)(()2()()2(0000ttSintVtCosVnn)(t仅是随机噪声，即1.设随机相位噪声第二项为由相位噪声形成的噪声电压。以下研究噪声电压功率谱密度与相位噪声功率谱密度之间的关系，令噪声电压为：)2()()(00tSintVtvnn则根据自相关函数的定义，可得其自相关函数为:dttvtvTLimRnTTnTvn)()(21)(随机相位噪声设为平稳的，则)(tndttSintSinttVTLimnTTnT)](2[)2()()(210020