高频电子线路绪论

1合肥工业大学理学院刘士兴[e-mail]:2901463/4/5-8107/82什么是“高频”?“高频”也叫射频,与“低频”相对应;狭义的高频为3-30MHZ,广义上范围很宽,目前最高已达微波段300GHZ电路→电子线路(模拟电子)基础→高频电子线路无线通信系统的重要特点就是利用高频信号传递消息高频电子线路主要应用于无线通信；3高频电子线路研究对象传输信息的系统通称为通信系统广义地说，广播、电视、雷达及导航系统等，也都属于通信系统高频电子线路所涉及的单元电路都是从传输与处理信息这一基本点出发、来进行研究的。包括：基带信号与载波、模拟通信系统与数字通信系统……4相关教材通信电子线路非线性电子线路高频电子线路5主要参考书《高频电子线路辅导书》曾兴雯主编，高等教育出版社《通信电子线路》严国萍主编，科学出版社《高频电子线路》第3版，张肃文主编，高等教育出版社《电子线路》（非线性部分）第四版，谢嘉奎主编，高等教育出版社6第一章绪论信息传输：声、光、电、多媒体……有线传输：利用导线传送信息1837年莫尔斯(F．Morse)发明有线电报1876年贝尔(G．Bell)发明有线电话无线传输：利用电磁波传送信息光纤通信系统：利用光导纤维传送信息7A.G.贝尔和T.A.沃森手持第一台电话我相信在未来，电线将把不同城市中的电话总局联接在一起，某个美国人可以同万里之迢的他乡直接用嘴巴话。——A.G.贝尔8晶体管激光----1958年光通信----宽带系统是互联网的基础数据网络----1925年传送了第一份传真数字传输与交换----1962年，贝尔实验室第一次对语音信号进行了数字复用传输。蜂窝移动电话技术----创造蜂窝的概念，并开发出全球第一个商业化的移动电话服务。9通信卫星----1962年，建造全球第一个轨道式通信卫星，使电话呼叫横跨大洋环绕地球数字信号处理(DSP)----1979年制造出全球第一个DSP芯片按键电话----1963年推出按键电话取代旋转拨号电话Unix操作系统和C语言----1969～1972年发明Unix®操作系统和C程序设计语言10无线电通讯的起源理论预言1864年，英国物理学家麦克斯韦(Maxwell)以理论推导得出“电磁波应该存在”的结论赫兹实验•1888年，德国物理学家赫兹(Hertz)以实验来证明麦克斯韦的理论11赫茲实验12无线电通讯的起源无线电通讯的实现•1895年意大利年轻发明家马克尼(GuglielmoMarconi)改良了赫茲实验，成功完成1.7公里长的无线电报机实验•1901年12月12日完成了横越大西洋的无线电通讯•1909年马克尼获得诺贝尔奖13信息的传输与处理—无线电技术的首要任务第一个重要里程碑:1907年：李·德·福雷斯特(LecdeForest)发明了电子三极管第二个重要里程碑:1948年：肖克莱(w.Shockly)等人发明晶体三极管第三个重要里程碑:60年代开始出现集成电路141.1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。但它们的基本组成不变.图1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。15音频放大器调制器激励放大输出功率放大载波振荡器天线开关高频放大混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器图1—1无线通信系统的基本组成16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。高频电路的基本内容应该包括:（1）高频振荡器（2）放大器（3）混频或变频（4）调制与解调17数字无线通信系统的组成与此相似将模拟通信终端换成数字通信终端，或者在模拟终端与调制解调器之间分别增加模—数转换器(ADC)和数—模转换器(DAC)即可。数字无线通信系统容易实现小型化，性能更加优越。在数字无线通信系统中，接收机的结构有多种类型，除了传统的超外差结构外，还有数字中频结构、直接变换结构等。数字超外差结构，中频比信号载频低很多，因此在中频上实现对有用信号的选择要比在载频上选择对滤波器Q值的要求低很多，容易实现稳定的高增益放大，甚至出现零中频。18按照传送的消息的类型分为模拟通信和数字通信,也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。不同类型的通信系统,虽然其系统组成和设备的复杂程度不同，但是组成设备的基本电路及原理都是相同的。以模拟通信为重点来研究这些基本电路,认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应用到其它类型的通信系统。无线通信系统的类型(一)19按工作频段或传输手段分:中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。按照通信方式来分:主要有（全）双工、半双工和单工方式。按照调制方式的不同来划分,有调幅、调频、调相以及混合调制等。无线通信系统的类型（二）工作频率指发射与接收的射频（RF）频率。是“高频”的广义语,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。201.2无线电信号与调制无线电信号主要有三种:基带(消息)信号、高频载波信号和已调信号。所谓基带信号,就是没有进行调制之前的原始信号,也称调制信号。1、时间特性:信号随时间变化快慢的特性。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。→正弦波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。21在自由空间中,波长与频率关系:c=fλ无线电波只占整个电磁波频谱中的一部分频率在30kHz～300GHz无线电波无须通过有线媒介传播。2、频谱特性22頻率单位：赫茲(Hz)合肥交通台–102.6MHz(FM)安徽广播电台–936kHz(AM)计算机CPU–500MHz,2.8GHz交流电-50Hz23对于较复杂的信号（如话音信号、图像信号等）,用频谱分析法表示较为方便。信号幅度0t图2信号分解24周期性信号可以表示为许多离散的频率分量(谐频),用傅里叶变换法分解为连续谱,信号为连续谱积分频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分。任何信号都会占据一定的带宽,带宽就是信号能量主要部分(90%)所占据的频率范围或频带宽度。语音能量主要集中在300Hz～3.4KHz；射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，可以容纳许多互不干扰扰的信道，实现频分复用或频分多址，也以传播某些宽频带的消息信号(如图像)。信号振幅0F3F5F7F9FF图3频谱图25电磁波频谱(Spectrum)珈瑪射線硬X-射線軟紫外線紅外線可見光無線電波26无线电波频段27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。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。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,或者在产生折射或散射等现象,造成到达接收机时的强度大大衰减。3、传播特性28无线电波的特性绕射/衍射(Diffraction)29无线电波的特性干涉(Interference)30无线电波的特性反射(Reflection)及折射(Refraction)31(a)射线(b)(c)电离层(d)对流层大地大地大地大地图1—5无线电波的主要传播方式（a）直射传播;（b）地波传播;（c）天波传播;（d）散射传播32电磁波频段波段波长频率特点说明中长波＞200m＜1.5MHz沿地表传播大地表面是导体，一部分电磁波会损耗掉，频率越高，损耗越大短波10m-200m1.5～30MHz靠电离层反射传播电磁波一部分被吸收，另一部分被反射或折射到地面。频率越高，被吸收的能量越小，但频率越过一定值，电磁波会穿过电离层，不再返回地面超短波＜10m＞30MHz沿空间直线传播地球表面是弯曲的，所以只能限制在视线范围内本课程涉及的频段从中频(MF)到超高频(UHF)33电磁波与地球大气层1-10GHz称为卫星通信频率的“窗口”频段34高频适于天线辐射和无线传播:只有当天线的尺寸到可以与信号波长相比拟时,天线的辐射效率才较高,从而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。人可以听到的声音频率在20～20kHz，波长大于10km。4、调制特性35调制是用调制信号去控制高频载波参数,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。三种基本方式:振幅调制（调幅AM）、频率调制（调频FM）、相位调制（调相PM）。36无线通信存在的问题①接收信号微弱：电磁波接收天线②存在干扰：其它电台的发射信号，各种工业、医学装置辐射电磁波，大气层，宇宙固有的电磁干扰。37移动通讯的诞生及发展二十世纪20年代至40年代初–使用范围小，主要使用对象是船舶、飞机、汽车等专用移动通信以及运用在军事通信中。40年代中至60年代末–移动通讯向小型化方面大大前进了一步。美国、日本、英国、西德等国家开始应用汽车公用无线电话。38移动通讯的诞生及发展70年代至80年代–美国贝尔实验室(BellLab)推出的蜂窝式移动通信系统的概念，蜂窝式系统开始应用，是第一代移动通信系统。90年代中至今–推出第二、第三代移动电话通讯系统。39第一代移动通讯(1G)第一代的行动电话系统属于模拟式(Analog)系统主要用于语音传输例子：AMPS,NMT,TACS缺点：容量小，通话品质差，容易被盗打与窃听40第二代移动通讯(2G)第二代的系统为数字式(Digital)系统可提供语音/数据/传真传输，以及一系列加值型的服务41模拟式vs数字式1模拟式信号数字式信号42接收到处理后失真杂音模拟式4311接收到处理后成功还原数字式44第二代移动通讯(2G)第二代数字式(Digital)系统可提供语音/数据/传真传输;目前还在发展当中例子：GSM,CDMA缺点：数据传输速度慢(9.6~14.4kbps)45GlobalSystemforMobileCommunication(GSM)采用数字式蜂窝系统分时多任务存取技术(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)不同时槽（TimeSlot）可以分别传送不同的讯号46GlobalSystemforMobileCommunication(GSM)时间时槽(Timeslots)TDMA47CodeDivisionMultipleAccess(CDMA)采用数字式蜂窝系统码分多址技术(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)每个用户分配了各自特定的密码(Code)483G传输速度：2Mbps(静止)、384kbps(步行)、114kbps（快速移动）具有语音、文字、静态影像、动态影像等多媒体传输的特点与能力取实际数据传输量为收费标准例子：WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA(中国自主知识产权的3G标准，2006年1月20日信息产业部发布)软件无线电第三代移动通讯(3G)49软件无线电的概念软件无线电（SoftwareDefinedRadio）是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，用软件来定义无线电台各部分功能。即整个无线电台从高频、中频、基带到控制协议全部由软件编程来完成。核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带“数字/模拟”转换器完成信号的数字化，尽可能地用软件来定义和实现通信功能。软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。501.3本课程的特点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。学习本课程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