高频电子线路(张肃文)绪论

2008-8-211高频电子线路High-FrequencyElectronicCircuits太原理工大学信息工程学院信息与通信工程系2课程基本情况课程名称：高频电子线路/非线性电子线路学时：64(56+8)先修课程：电路基础信号与系统模拟电子电路（低频电子线路）后修课程：通信原理微波技术31.1无线电通信发展简史1.2无线电信号传输原理1.2.1传输信号的基本方法1.2.2无线电信号的产生与发射1.2.3无线电信号的接收1.3通信的传输媒质41837年莫尔斯发明电报，创造莫尔斯电码，开创通信的新纪元1876年贝尔发明电话，能够直接将语言信号变为电信号沿导线传送1887年德国物理学家赫兹以卓越的实验技巧证实了电磁波是客观存在的1864年英国物理学家麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，为后来的无线电发明和发展奠定了坚实的理论基础51895年马可尼首次在几百米的距离实现电磁波通信，1901年首次完成横渡大西洋的通信。1904年，弗莱明发明电子二极管，进入无线电电子学时代。1907年李·德·福雷斯特发明了电子三极管，用它可组成多种重要功能的电子线路。1948年肖克莱等人发明了晶体三极管，它在许多方面已取代了电子管的传统地位。20世纪60年代开始出现将“管”、“路”结合起来的集成电路。6通信的一般含义是从发送者到接收者之间信息的传递。用电信号传输信息的系统称通信系统，也称电信系统通信系统由输入、输出变换器，发送、接收设备和信道等组成7图1.2.3通信系统框图通信系统是指“电通信”，包括移动通信、电报、电话、广播、电视、雷达、遥测、遥控等。信号源接收设备发送设备传输信道收信装置8在实际的通信电子线路中传输的是各种电信号，为此就需要将各种形式的信息转变成电信号常见的输入变换器有：话筒摄像机其他各种传感器件输入变换器9发送设备的作用：将基带信号变换成适合信道的传输特性的信号对基带信号进行变换的原因：基带信号往往并不适合信道的直接传输发送设备10为什么要调制？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。自由空间中,波长与频率关系:c=λf式中:c为光速,f和λ分别为无线电波的频率和波长从切实可行的天线出发区别不同的音频信号可实现的回路带宽11电磁波波谱无线电波105红外线1010可见光紫外线1015X射线1020宇宙射线1025f/Hz/m3×1033×10－2(3.8～7.8)×10－73×10－73×10－123×10－1712理论和实践证明，只有当电信号的频率很高，以致它的波长与天线的尺寸相近时，电信号才能有效辐射传输一般基带信号频率很低，采用调制就可以把低频基带信号调制在高频载波信号上，从而易于实现电信号的有效传输调制的基本原理13用基带信号去改变高频载波信号的某一参量，就可以实现调制。用基带信号去改变高频载波信号的振幅，则称为振幅调制，简称调幅，用符号AM表示。用基带信号去改变高频载波信号的频率，则称为频率调制，简称调频，用符号FM表示。用基带信号去改变高频载波信号的相位，则称为相位调制，简称调相，用符号PM表示。)cos(00tUucmc调制方式14接收设备的作用：接收传送过来的信号，并进行处理，以恢复发送端的基带信号。对接收设备的要求：由于信号在传输和恢复的过程中存在着干扰和失真，接收设备要尽量减少这种失真。接收设备15收信装置接收设备输出的电信号变换成原来形式的信号的装置。如：还原声音的喇叭恢复图象的显象管收信装置16图1.2.6正弦调幅波形将低频信号“装载”在高频载波上，以利于天线发射和接收。17倍频高频放大调制话筒声音发射天线图1.2.8调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲18图1.2.11超外差式接收机方框图sfsf0fifs0ifffifΩfΩf19图1.2.3通信系统框图接收设备发送设备传输媒质有线电视网广播网电视机收音机局域网计算机1计算机2根据传输媒质的不同，分为有线通信与无线通信。20有线通信传输媒质有：双线对电缆同轴电缆光纤（光缆）无线通信的传输媒质是自由空间。211、双绞线适用于短距离（小于100m）、1Mb/s数据率通信环境2、同轴电缆适用于距离在几百米、带宽小于10Mhz、码流率小于20Mbps的通信环境有线通信信道3、光纤衰减小（小于1db/km）、工作频率高、信息容量大22图1.3.1电磁波传播的几种方式无线通信的传输媒质是自由空间。2324音频射频微波高频电子线路的工作频段MHz300KHz30025课程主要内容处理高频信号的功能电路高频信号的产生电路（振荡器）放大电路（高频小信号放大器和高频功放）变换电路（倍频、混频）调制和解调电路反馈控制电路（自动增益控制、自动频率控制、自动相位控制）26第1章绪论第2章选频网络第3章高频小信号放大器第4章非线性电路、时变参量电路和变频器第5章高频功率放大器第6章正弦波振荡器第7章振幅调制与解调第8章角度调制与解调课程章节27课程特点功能电路都是非线性电路，用工程近似分析法、频域分析法功能电路多，注意各电路的共性及功能之间的内在联系课程实践性强28数字通信系统传输数字信号的通信系统即数字通信系统，原理框图如图模拟信号经信源编码和信道编码变成数字基带信号，发射机将基带信号调制到高频载波上经信道传输到接收端，接收机还原出数字基带信号，经信道解码和信源解码还原出模拟基带信号。用数字基带信号对高频正弦载波进行的调制称数字调制。根据基带信号控制载波的参数不同，数字调制通常分为与振幅键控调制，频率键控和相位键控三种基本方式信源编码信道编码信道接收机输入模拟信号发射机信道解码信源解码输出模拟信号数字29数字通信系统振幅键控：(ASK:Amplitude-shiftkeying)载波振幅受基带控制相位键控：(PSK:phase-shiftkeying)载波相位受基带信号控制，当基带信号p(t)=1时，载波起始相位为0，当p(t)=0时载波起始相位为频率键控：(FSK:Frequency-shiftkeying)载波频率受基带信号控制，当p(t)=1时，载波频率为f1；当p(t)=1时,载波频率为f2t(a)载波t(c)ASKt(b)基带10110001t(d)PSKt(e)FSKf1f2f1f230数字通信系统数字通信的主要优点：(1)有较强的抗干扰能力，通过再生中继技术可以消除噪声的积累，并能对信号传输中因干扰而产生的差错及时发现和纠正，从而提高了信息传输的可靠性。(2)数字信号便于保密处理，易于实现保密通信。(3)数字信号便于计算机进行处理，使通信系统更加通用和灵活。(4)数字电路易于大规模集成，便于设备的微型化数字通信的缺点：数字信号占据频带较宽，频带利用率低但目前采用了一些新的数字调制技术，不断增大通信容量，提高频率利用率，所以数字通信的发展前景广阔。31现代通信系统70年代以前，通信系统主要是模拟体制，接收机如前介绍的超外差接收机，70—80年代无线电通信实现了模拟→数字的大转变，从系统控制（选台调谐、音量控制，均衡控制等）到信源编码、信道编码，以及硬件实现技术都无一例外地实现了数字化。现代超外差接收机可用下图来表示，它是一个模拟与数字的混合系统。IF放大解调DSPDACADC混频本振（数字频率合成可控振荡源）宽带RF放大器32现代通信系统进入90年代后，通信界开始了一场新的无线电革命，即从数字化走向了软件化，软件无线电技术（softwareRadio）应运而生。支持这场革命的是多种技术的综合，包括多频段天线和RF变换宽带A/D/A转换，完成IF、基带、比特流处理功能的通用可编程处理器等。软件无线电最初目的是满足军用通信中不同频段，不同信道调制方式和数据方式的各类电台之间的联网需要，因为它可以很容易地解决各种接口标准之间的兼容问题，使得它的优越性很快得到商用通信的青睐，并且在个人移动通信领域发展迅速。软件无线电是特指具有用软件实现各种功能特点的无线电台（如移动通信中的移动电话机、基站电台、军用电台等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片组成。规范的软件无线电典型结构如下图所示。33现代通信系统可编程处理器宽带A/D–D/ARF转换窄带A/D–D/A可选的信号源编码N–R/T软件实时、准实时高集成度硬件电话视频传真数据移动终端脱机软件可编程处理器在线软件N-R/T软件业务开发工作站可编程处理器宽带A/D–D/ARF转换PSTN定时系统模块式、开放硬件结构天线接口34现代通信系统软件无线电的标志：•无线通信功能是由软件定义并完成的，这种完全的可编程能力包括可编程的射频波段、信道接入方式、信道调制方式与纠错算法等，软件无线电区别于软件控制的数字无线电。•在尽可能靠近天线的地方使用A/D/A转换器，因为信号的数字化是实现软件无线电的首要条件。理想软件无线电系统中的A/D/A转换器已相当靠近天线，从而可对高频信号进行数字化处理，这也是它与常用的数字通信系统的根本区别所在。35现代通信系统软件无线电的特点：具有完全的可编程性：通过安装不同的软件来实现不同的电路功能，包括工作模式，系统功能，扩展业务等。软件无线电基于DSP技术：系统所需要的信号处理工作有变频、滤波、调制解调，信道编译码，接口协议与信令处理，加解密、抗干扰处理，以及网络监控管理。其有很强的灵活性及可扩充性：可以任意转换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号。具有集中性：由于软件无线电结构具有相对集中和统一的硬件平台，所以多个信道可以享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器，从而可以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。36现代通信系统由于大规模集成电路的数字无线电和软件无线电收发信机，其内部的基本功能，基本原理，工作流程和电路结构与传统的超外式无线电收发信机并无太大差异，经典高频电子线路的分析方法与设计思想仍可作为现代无线电新技术的理论基础。而且，由于目前器件水平的限制，软件无线电技术还基本只能在通信系统的基带处理部分得到较好发挥，还必须采用与传统电路结合的方式进行系统研制。要超越器件水平的限制，进行深入的理论研究，提出新的解决方案和好的算法，也需要借助于一些经典的通信电路理论。数字通信中的很多电路功能也基本上用模拟电路实现。因此，本门课程中仍以基本模拟通信电子电路为主要内容进行分析。