高频电子线路第一讲

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1、 第一章 绪论 第一节 无线通信系统概述 一、无线通信系统的组成 广义地说，凡是在发信者与收信者之间以任何方式所进 行的消息传递，都是通信。实现消息传递所采用的设备总和 ，称为通信系统。通信系统的组成模型如图1-1所示。 图1-1 通信系统的组成模型 图1-1中有两种变换。首先，发送端的连续消息要变换成 原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。这 里所说的原始电信号，由于它通常具有频率很低的频谱分量 ，一般不宜直接传输。因此，在无线通信系统中常需要有第 二种变换，即将原始电信号变换成其频带适合信道传输的信 号，并在接收端进行反变换。这种变换与反变换称为调制及 解调。经过调制的信号称为

2、已调信号，它具有两个基本特性 ，一是携带有信息，二是适应在信道中传输。原始信号又称 为基带信号，而已调信号则称为频带信号。于是模拟通信的 组成模型略加改变，就可以构成如图1-2所示的无线通信系 统。 图1-2 无线通信系统的发送、接收系统框图 图1-2中虚线之上的部分是发送设备；虚线之下的部 分是接收设备；信道是自由空间。麦克风、摄像头、扬 声器、屏幕都是属于通信的终端设备，麦克风与摄像头 是信源，而扬声器与屏幕是信宿。 虚线上面的信息源经 过换能器将声音或景像转换为电信号，由它去控制载波 振荡器输出的高频信号的某一个参数（振幅、频率或相 位，也可以是联合控制），从而实现调制。调制信号幅 度不

3、够时，可根据需要进行若干级的放大（通常有预放 大、激励放大和输出级放大三级）。最后，已调信号经 发射天线以电磁波的形式向空间辐射。 虚线以下的部分是接收机。接收机一般采用超外差 方式。接收天线将接收到的微弱高频信号送入到高频小 信号放大器，进行放大及初步的选频，使其输出有一定 的电压增益，更主要的是从众多的无线电信号中初步选 出所需要的信号。为了保证接收机的性能在整个接收频 段内不受输入信号频率变化的影响，将经过初步放大和 选频的信号送入混频器进行混频，将不同的载波变换为 低于载频的固定的中频。取出中频后再进行集中放大与 滤波，这样，对提高接收机的性能指标有很大的益处。 解调是在中频上进行的。

4、经解调器就能恢复出原始信息 ，从而完成无线通信的过程。 二、课程要讨论的内容 1.放大器。这里所说的放大器分两类，即高频小信号 放大器和高频功率放大器。在调制端，要将已调信号进 行功率放大，经发射天线发出电磁波。经过一定距离的 传播，会有很大的衰减，到达接收端的能量往往变得非 常微弱。仅为10-1210-14瓦，从电磁场强度来说，只有微 伏/米的数量级，为了推动终端设备正常工作，接收机必 须将这样微弱的信号加以放大。 2.高频振荡器。发送设备和接收设备中的高频信号源， 在发射机中称其为载波振荡器，在接收机中称其为本地振荡 器。要将基带信号变换为适合信道传输特性的信号，就得寻 找一个载体，使基带

5、信号寄载于高频振荡波的某个参数之上 。因为载波是余弦信号或正弦波，它有三个参数：振幅、频 率和相位，所以出现了振幅调制、频率调制和相位调制等不 同的调制方式。顾名思义，所谓的振幅调制方式，就是用基 带信号去控制载频的振幅，使其振幅按照调制信号的规律变 化；所谓的调频，就是用基带信号去控制高频振荡波的频率 ，使其频率按基带信号的规律变化。可见，要实现基带信号 的频带传输，必须由高频振荡器来提供载体。高频振荡器就 是产生这一载体的振荡器。 3.变换信号 。在发射机中要将基带信号的频谱搬移在 载频上，这是信号的变换；接收机收到的是高频已调波， 如调幅、调频或调相信号等。这些信号已经不同于原调制 信号

6、，因此不能在终端设备中直接显示出来，而接收机必 须把高频已调信号通过频率变换电路恢复为原始的调制信 号，这一变换信号的过程被称为解调。实现分为两个步骤 ，首先，将高频信号变换为频率相对于高频来说是中频的 信号上；经中频放大与滤波，然后在较高的电平上实现解 调。接收机的增益获得、灵敏度提高、保真度提高、选择 性增强等性能指标的改善主要依赖于中频放大。可见，将 频段内变化着的信号变换在固定的中频上进行特定的处理 （放大信号、提纯有用信号、抑制干扰），对降低接收设 备的复杂度，提高接收机的性能带来颇多的好处。 4.控制。在图1-2所示无线通信系统中，还没有包 含通信系统中的控制电路，实际的无线通信系

7、统中， 万万离不开控制电路。为了保障通信的及时性和可靠 性，离不开某些反馈控制电路，包括自动增益控制（ AGC）电路、自动频率控制（AFC）电路及自动相位 控制电路（PLL）。这些电路也是本课程要重点讨论 的对象。 三、无线通信系统的信道 在图1-2中，连接收、发两端信号的通道是信道，也 称传输媒介。在自由空间媒介里，电磁能量是以电磁波的 形式传播的。发送天线将高频功率放大器输出的电能量经 过发送天线系统转换，最终以电磁波的形式向自由空间辐 射。当天线的长度和载频的波长为同一量级时，天线上的 电流就会大大地增加，形成了较强的辐射。接收天线，将 经过无线信道传输、衰落后变的很微弱的电磁波感应为电

8、 信号。可见，无线通信是靠电磁波实现信息传输的。 自然界中存在的电磁波的波谱很宽，如图1-3所示。无线电波和光 波都属于电磁波。在自由空间，波长与频率的关系如下 (1-1) 式中， ，为光的传播速度；f 和分别为无线电波的频率 和波长。对频率和波长进行分段，分别称为频段和波段。 图1-3 电磁波的波谱示意图 地波 不同频率的电磁波有着不同的传播方式。1.5MHz 以下的电磁波主要沿着地球表面绕射传播，称为地波，如图 1-4所示。这种传播方式的特点是信号较为稳定，但衰减随 着频率的升高、传播距离的增加而迅速增大。可见，频率较 高的信号不宜沿地表传播。 天波 1530MHz的电磁波，主要靠空间中电

9、离层的折射 和反射传播，称为天波，如图1-5所示。这种传播方式的特 点是传输损耗较小，能以较小的功率实现远距离通信。但是 当频率超过一定值时，电磁波就会穿透电离层而不再返回地 面。可见，频率更高的电磁波不宜用天波传播。 直线波 30MHz以上的频率，电磁波主要沿直线（视线） 传播，所以又称视距传播。此时发射天线与接收天线必须设 置在视距范围内（约50km，但可以通过增加天线高度来增 加通信距离），如图1-6所示。 为了讨论问题的方便，将不同频率的电磁波人为地划 分若干频段和波段，其相应的名称与主要应用领域列表于 1-1之中。 表1-1无线电波的频段与波段划分表 四、无线通信系统的类型 无线通信

10、系统的类型，可以根据不同的方法来划分如下 ： 1.按照工作频段或传输手段分类，主要有中波通信、短 波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信。这里的工作频 率指的是发射与接收的射频频率。射频实际上就是高频的广 义词，它是适合无线电发射和传播的频率。 2.按照通信方式分类，主要有单工、半双工和全双工方 式。单工通信，指的是只能发送或只能接收的一种通信方式 ，如遥测、遥控就是单工通信方式；半双工通信是指通信的 双方都能收发消息，但不能同时进行接收和发送的通信方式 ，如使用同一载频工作的无线对讲机，就是按这种方式工作 的；而全双工通信是一种接收和发送能够同时进行通信方式 ，例如，使用手机进行通信就是全双

11、工通信方式。 3.按照调制方式的不同分类，有振幅调制、频率调制 、相位调制以及混合调制等调制制式。 4.按照传输的消息类型分类，有模拟通信和数字通信 。也可以分为话音通信、图像通信、多媒体通信等。 不同类型的通信系统，其系统的组成和设备的复杂程 度是有别的，但组成系统的设备中的基本电路及其原理是 相同的，遵从同样的规律。 第二节 无线通信系统中的信号 在高频电路中，要处理的信号主要有三种：基带信号、 载波信号及已调信号。 基带信号 模拟通信中的基带信号一般是语音信号或视频 信号，由图1-2可知，接受信息的是人的两个感觉器官-眼睛 和耳朵。人耳能听到的振动频率是2020kHz，语音信号的 主要能

12、量集中在3003400Hz的频率范围内；人眼分辨频率 的能力比分辨语音频率的能力要强，在电视屏幕上，当相邻 像素靠近到一定程度时，人眼无法分辨出来了，另一方面， 视觉有惰性，再考虑人眼对色彩视觉上的共性，我国规定的 视频信号带宽为06MHz。显然该传输频带宽度与语音传输 频带宽度是有较大差别的。 语音信号 对于语音信号根据式(1-1)，可以算出对应的 波长为1000800km。试想，尺寸如此巨大的天线能否建 造？另一方面，假如所有的语音信号都在此频率范围内来 传输，则在信道里会叠加，使得彼此重叠，接收端将无法 选择所需要的信号。可见，欲进行无线电通信，必须以载 波信号为运载工具，将调制信号寄载

13、到载波的某一参数之 上，使已调信号的波长与天线尺寸在同一数量级上。不同 的发射台采用不同的载波频率，这样既解决了天线尺寸问 题，又解决了信号的选择问题。 载波信号 无线通信系统中的载波信号为一个正弦波或 余弦波。其振荡频率是由国家无线电管理机构来划定的。如 中波调幅广播的载频范围是5501605kHz；短波广播的频率 范围为224MHz；调频广播的频率范围为88108MHz； 电视广播的“甚高频”频段（112频道），频率范围为48.5 223 MHz，在“特高频”频段，频率范围为670958 MHz； 已调信号 已调信号又称为频带信号，若传输语音信号， 且调制方式为振幅调制时，则基带信号被搬移

14、至载波频率的 左右两侧，位于载波左侧的称为下边带，位于载波右侧的称 为上边带。可以以如图1-7所示的频谱图来表征。 图1-7 调幅制式下的三个信号频谱结构图 上图中，图(a)是话音信号的频谱结构，图(b)是载 波信号的频谱结构，(c)是已调信号的频谱结构。显 然，高频载波的频率越高，可以利用的频带宽度就 越宽，这样不仅可以容纳许多互不干扰的信道，实 现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些频带 较宽（如图像信号）的消息信号。 第三节 本课程的特点 一、课程特点 高频电子线路几乎都是由非线性元器件组成的。 只是在不同的使用条件下，非线性器件所表现的非线性 程度不同而已。对于小信号放大器，由于输入

15、信号足够 小，又要求不失真地放大，因此其中的非线性器件可以 用线性等效电路来表示，分析方法也可以用线性电路的 分析方法。但是本书的绝大多数电路都是非线性电路的 范畴，一般用非线性电路的分析方法来进行分析。 二、课程学习要求： 掌握、理解基本概念、原理与主要结论； 学会各种电路的分析方法、计算方法； 学会默画基本电路及各种等效电路； 按时按质按量完成作业。 本章小结 1. 无线电波的频率范围极为宽泛，可以用无线 电波的形式在自由空间里进行传播。不同的波段有 不同的传播方式，有地波、天波和空间波传播之分 。 2. 为了减小天线的几何尺寸、提高信道利用率 ，需要将基带信号调制到高频载波的某一个参数上

16、 去，使高频载波的某个参数（振幅、频率、相位） 或几个参数按照基带信号的规律变化。解调是调制 的逆过程，已调信号经过解调可以恢复出原来的基 带信号。 3. 无线电通信系统中包括的主要电路有高频小信号 放大器、高频功率放大器、作为载波的正弦波振荡器、 振幅调制器、振幅信号的解调器、频率调制器、频率检 波（解调器）、相位调制器及其对应的相位检波器（鉴 相器）。此外，还必须有保障通信可靠性和有效性的控 制电路（自动增益控制电路、自动频率控制电路及锁相 环路）。教材就是按上述3的次序编排章节的。学毕本 书内容之后，读者必须以此为依据检验对所学内容掌握 、熟悉、了解的深度及广度，并牢固建立起无线通信的 系统概念。