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1、第9章无线通信与收音机无线通信技术在当今的信息时代起着极其重要的作用。无线通信是以电磁波的形式远距离传送信息的技术，调制、解调与变频是解决无线通信的三个关键的问题。无线通信中，除采用前面所讲述的各种放大电路外，还要涉及到信号的转换，即频率变换电路。本章在介绍了无线通信基本原理和过程之后，以收音机为例，分析无线通信中接收机的电路结构和组成原理。9.1 无线通信概述无线通信包括大面积的广播和点对点的通信，无线电广播是无线通信中最常见的应用之一。下面以无线电广播与接收为例，介绍其工作过程。无线电广播系统通常包括发送系统、传输系统和接收系统三个组成部分，如图9-1所示。其中，发送系统主要由信息源和发送
2、设备组成；传输系统主要指传输媒介或传输信道，这里指无线电波的某一频段；接收系统包括接收设备和受信器。发送系统信息源发送设备受信器接收设备接收系统电磁波传输系统图9-1 无线电广播系统组成框图9.1.1无线广播的发送无线电广播传送的信息是频率处于2020000Hz之间的声音信号。为了能以电信号的形式发送这些信息，发送端必须首先经过声电转换（如话筒）将声波转换成电信号，即音频信号。但是，音频信号的频率太低，它不能直接通过发射天线以电磁波的形式有效地辐射出去。电磁波的理论和实践表明，只有波长与发射天线几何尺寸可以比拟的电磁波，才能通过发射天线有效地辐射出去。而音频电磁波信号的波长在1.51041.5
3、107m之间，显然，要制造如此长度的天线是不现实的。即使有这样的天线，各个电台都用音频频段来发射信息，在接收端也无法将欲接收的电台信号选择出来。解决这一矛盾的有效办法是，发送端的各个电台采用不同频率的高频振荡信号作为“运载波”，将音频信号“装载”在高频振荡信号之上，然后，将这个载有音频信号的高频振荡信号通过发射天线以电磁波的形式有效地发射出去。把音频“装载”在高频振荡信号之上的过程称为调制，音频信号称为调制波，高频振荡信号称为载波，经音频信号调制之后的高频振荡信号称已调波。为了进行调制，发送设备中应设置一个频率稳定性很高的高频振荡电路来产生高频载波，音频信号与高频载波经调制器调制之后，变换为已
4、调高频信号（也称射频信号），再通过功率放大器放大后以足够的强度送入发射天线发射出去。综上所述，发送过程要完成三项基本任务，这就是声电转换、调制和发射，发送系统的基本组成框图如图9-2所示。高频电磁波发射天线高频振荡高频放大器调制器高频功放图9-2 发射系统框图（调幅发送）音频放大器话筒 9.1.2无线广播的接收接收系统的主要任务是从众多的电磁波信号中，有选择地接收所需电台的信号，并经过一系列的加工处理，最终还原出发送端所发送的声音信息。接收系统框图如图9-3所示。高频电磁波扬声器接收天线选频加工处理检波音频放大图9-3 接收系统框图（调幅接收）载有音频信息的高频无线电波被接收天线截获，并转换成
5、高频电信号，通过选频电路从众多的电台信号中选出所要收听的某一电台信号，经加工处理之后送到解调电路（此处为捡波），由解调电路从高频已调波中“取出”发送端所“装载”的音频信号，再经音频放大器放大后，推动杨声器工作，还原出声音。从已调波信号中取出原调制信号的过程称为解调。由上可见，接收过程也要完成三项基本任务，这就是选频接收、解调和电声转换。实际的接收系统，为了提高各项性能指标，在选频与解调电路之间的加工处理均采用“超外差” 接收机的本振频率始终超过外来信号一个固定的差频。的方式，通过变频电路，将选择出的某一高频已调波信号变换成固定的中频已调波信号，然后再设置增益高、选择性好的中频放大电路，经选频、
6、放大之后，送至解调电路进行解调。9.1.3无线电波段的划分无线电波是无线通信中信息传输的主要载体，也称传输介质，它是一种电磁波，在电磁波谱中占有较宽的波长范围，波长从几百微米到几万米之间。为了合理、充分地利用无线电频谱资源，减少各频率间的相互干扰，国际无线电组织制定了“国际无线电规则”，将无线电频率段按照用途进行了分配。表9-1为无线电波波段（频段）划分及用途范围简表。表9-1 无线电波波段划分及用途波段名称波长范围频率范围频段名称主要用途超长波10000m以上30kHz以下甚低频VLF水下通信(如潜艇通信);远距离通信;超远距离导航长波10000m1000m30k300kHz低频LF越洋通信
7、;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航中波1000m100m300k3MHz中频MF无线广播;海上导航短波100m10m3M30MHz高频HF短波广播;远距离短波通信 超短波米波10m1m30M300MHz甚高频VHF电离层散射(30M60MHz);流星余迹通信;人造电离层通信(30M144MHz);对空间飞行体通信;调频广播;电视;雷达;导航;移动通信分米波1m0.1m300M3GHz特高频UHF小容量微波中继通信;(352M420MHz); 中容量微波通信(1700M2400MHz);对流层散射通信(70010000MHz) 微波厘米波10cm1cm3G30GHz超高频SHF大容量微波中继
8、通信(3600M4200MHz,5850M8500MHz);数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信(1500M1600MHz);波导通信毫米波10mm1mm30G300GHz极高频EHF再入大气层时的通信;波导通信亚毫米波1mm以下300GHz以上理论和技术已趋于成熟，正在开发阶段9.1.4无线电波的传播无线电波在空间以光速传播，为3.0108m/s，它的波长、频率f和波速c之间的关系为（9-1）无线电波与光波一样，具有直射、绕射、反射和折射等现象。无线电波在空间的传播方式主要有地面波、空间波和天波三种。地面波是指以绕射方式沿地球表面传播的电磁波；空间波是指根据直射或反射现象，直接从发射端传播到
9、接收端或从地球表面反射到达接收端的电磁波；天波是指向空间辐射，利用电离层的折射或反射而返回地面的电磁波。三种传播方式的示意图如图9-4所示。图9-4 无线电波的几种传播方式不同波段的无线电波其传播特点和用途如下：（1）长波和中波的传播长波和中波因频率较低，可利用地面波传播。地面的电性能不易随时间而变化，通过地面波形式传播的长波、中波比较稳定，但传播距离相对较近。长波和中波还可通过天波的形式传播，由电离层反射而到达地面。但白天电离层的自由电子密度大，对长波、中波吸收作用强，因此衰减严重，所以白天长波和中波是靠地面波传播的。夜间电离层的自由电子密度减小，对长波、中波的吸收作用大大下降，可以传播到远
10、方。许多白天收不到的远地电台夜晚可清楚收到，就是这个道理。中波主要用于近距离（几千公里左右）无线广播，也可用于海上通信、无线电导航及航空通信等。长波主要用于发射标准时间信号，水中的电磁波的波长越长损耗越小，因此长波也适于水下通信。（2）短波的传播短波沿地面传播时，衰减很快，传播距离很短，但电离层对短波的衰减很小，借助于电离层的反射或折射可以传播到地球表面的任何地方，因此短波是靠天波传播的。由于电离层的高度和厚度随昼夜及季节的不同而变化，无线电波通过电离层反射次数也不同，使得接收场强出现不稳定现象，因此短波传播不如中波稳定，一般要在接收设备中采取弥补措施。短波传播距离远，主要用于国际无线电广播、
11、远距离无线电报、传真及卫星通信等。（3）超短波的传播超短波穿透性强，受电离层的反射作用弱，在地面传播时不易绕射，衰减较大，因此，主要以空间波的形式在直视距离内传播。缺点是传播距离取决于发射、接收天线的高度，一般仅为几十公里；优点是发射天线尺寸小，便于集中能量定向发射，节省发射功率，而且受干扰小，保密性强，多路通信容量大等。它主要用于电视、调频广播、多路通信、雷达及导航等方面。9.2 调幅与幅度检波调制与解调是无线通信中重要的技术手段。信号调制与解调的方式有多种，按照调制信号所控制的高频载波参数（振幅、频率及相角）的不同，可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种基本方式，其中调频和调相
12、又统称为“调角”。按照调制信号的不同又分为模拟信号调制和数字信号调制等。解调是调制的逆过程，即是把调制信号从已调波中取出来的过程。与调制方式相对应，解调方式也有幅度解调（又称检波）、频率解调（又称鉴频）和相位解调（又称鉴相）三种。本节主要讨论调幅与检波的过程。9.2.1调幅原理调幅是指用调制信号去控制高频载波的振幅，使之按照调制信号的变化规律而变化的过程。调制信号通常是比较复杂的，含有多种频率成分，为了分析方便，以单一频率的正弦波作为调制信号来分析调幅原理和调幅波的特点。如图9-5所示，设高频载波信号为uc=Ucmcosct，调制信号为u=Umcost，（c）。将这两种信号同时输入图9-5(c
13、)所示的二极管调幅电路中，则输出信号为包络随u而变化的高频调幅波信号ua，其波形如图9-5(d)所示。图9-5 调幅原理该波形含有许多新的频率成分，电路实质上实现的是频率变换的过程。频率变换是指，当信号通过电路后，除了原来的频率成份外，还产生了新的频率成份。所有的调制、解调及倍频、变频、整流等电路其实都是频率变换电路。非线性元件具有频率变换的作用，这里的二极管就是非线性元件。我们知道，二极管的伏安特性是非线性的，可用级数形式表示为（9-2）式中ak为由伏安特性曲线形状决定的常数，u为加在二极管两端的电压，iD为流过二极管的电流，k=2后面的各项表征了二极管的非线性。为了讨论方便，通常仅取前三项
14、来分析其非线性变换作用。即（9-3）由于调制信号u和载波信号uc串联后加入调幅电路，因此u=u+uc= Ucmcosct+ Umcost代入上式，则有（9-4）利用三角公式变换并整理后上式变为（9-5）式中第一项为直流分量；第二项为原输入信号频率分量，即基波分量；第三项为输入信号的二次谐波分量；第四项为两输入信号的和频分量与差频分量。可见输出信号中出现了原输入信号中所没有的频率分量，这些新增频率分量就是由于二极管的非线性所引起的。如果调幅电路输出端的LC并联谐振回路调谐在c上，由于c，只要回路Q值合适，则回路可选出c及其附近 c 和 c 的频率分量，则回路压降近似为（9-6）式中Z0为LC回路
15、谐振阻抗。利用三角公式上式可进一步变换为 （9-7）式中，。ma被称为调幅系数或调幅度，反映载波的振幅随调制信号变化的大小程度，正常情况下ma一般在01之间，无线电广播中的ma一般为0.3左右。9.2.2调幅波的特性图9-6 调幅波的频谱（1）调幅波频谱由式9-7可知，单一频率正弦信号的调幅波包含有三个频谱分量，即载频c、下边频（c）和上边频（c）。接照它们的相对振幅与频率之间的关系，可绘出频谱图如图9-6（a）所示（图中用0代替c）。实际的调制信号是多频率的复杂信号，不仅频率处于某一个频率范围，而且各频率分量的振幅也各不相同，随时间也是变化的。因此，复杂信号调幅波的频谱示意图如图9-6（b）所示，它包含了载频和上、下两个边带。由图可以看出，调幅波的频带宽度为调制信号最高频率的两倍，即B
