射频通信原理第1章.ppt

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1、第章概 论第章概 论1.1 信息技术信息技术1.2 通信系统通信系统1.3 信号信号1.4 带宽和信息容量带宽和信息容量习习 题题 第章概 论信息技术概括起来包括两类：信息处理技术与信息传输技术。信息是一个抽象的概念。信息的具体形式有：语言、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。将表示声音和图像等的物理信号，经过传感器转换为电信号，就成为我们处理的对象。人们从这些信号中获取信息。通信的任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。对于信息传输最主要的要求就是传输的可靠性和有效性。信息处理的目的就是为了更有效、更可靠地传递信息。1.1 信息技术信息技术 第章概 论传递信息可以通过有

2、线方式，也可以通过无线方式。通信作为无线电技术最早的应用，其系统组成和工作过程，很典型地反映了无线电技术的基本问题。通信技术的发展和现代化也充分反映了无线电技术的发展和现代化。本书将以无线通信系统为主要研究对象，着重讨论无线电设备中的高频放大器和高频功率放大器、振荡器及频率变换等电子线路的基本原理和应用。第章概 论一切能完成信息传输任务的系统都可以称为通信系统。高频电路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分。通信系统的基本任务是从一个地方向另一个地方传送信息。因此，电子通信可以被总结为在两个或多个位置使用电子线路传输、接收和处理信息。始发的源信息可以是模拟(连续)形

3、式的，如人类的语言或音乐，也可以是数字(离散)形式的，如二进制编码的数字或字母数字代码。各种形式的信息在通过通信系统传播之前，必须对其进行转换。1.2 通信系统通信系统 第章概 论电子通信技术已经发展了百年，其基本概念和原理变化不大，但其实现技术和电路经历了重大的变化。近年来，晶体管和线性集成电路简化了电子通信电路的设计，使其更加小型化，并改善了性能和可靠性，降低了总成本。越来越多的人需要相互通信，这一巨大的需求刺激着电子通信工业快速发展。现代通信系统包括电缆通信系统、微波通信系统、卫星通信系统和无线电通信系统以及光纤通信系统。第章概 论1.2.1 无线通信系统的组成无线通信系统的组成了解通信

4、系统的构成，有利于掌握通信系统的基本原理及通信电子线路的组成原理。通信系统的核心部分是发送设备和接收设备。不同的通信系统的发送设备和接收设备组成不完全相同，但其基本结构有相似之处。通信系统通常分为有线通信系统和无线通信系统，我们常见的无线通信系统有广播通信系统、移动通信系统等。一个完整的通信系统基本组成框图如图1.1所示。第章概 论图1.1 通信系统基本组成框图第章概 论无线通信系统的基本组成框图与通信系统基本相同，包括发射系统(信源、输入变换器、发送设备)、接收系统(接收设备、输出变换器、接收信息)、信道、干扰源等。第章概 论1.2.2 发射系统发射系统信源是指需要传送的原始非电物理量信息源

5、，如语言、音乐、图像、文字等。信源经输入变换器后转换成电信号。输入变换器的主要任务是将要传递的语言、音乐、图像、文字等信息变换为电信号，该电信号包含了原始消息的全部信息(允许存在一定的误差，或者说信息损失)。这类信号的频率一般比较低，称为“基带信号”。输入变换器输出的基带信号作为通信系统的信号源。基带信号不一定适合在信道上直接传输，可将其送入发送设备，变换成适合信道传输的信号后再送入信道。第章概 论 发送设备主要有两大任务：调制与放大。调制就是将基带信号变换成适合信道传输的高频信号。在连续波调制中，是指用原始电信号(调制信号)去控制高频振荡信号(载波信号)的某一参数，使之随着调制信号的变化规律

6、而变化。经过调制的高频信号称为已调信号。无线通信发送设备的任务就是将基带信号变换成适合在空间信道传输的高频信号。图1.2所示为无线通信发送设备组成框图。第章概 论图1.2 无线通信发送设备第章概 论发 送设备的另一个任务是放大，即对已调波信号的电压和功率进行放大、滤波等处理，使已调波信号具有足够大的功率以便送入信道。在无线通信中，天线的作用是很重要的，它将已调信号转换成电磁波送入信道。由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射出去，天线的长度必须和电信号的波长为同一数量级。例如，音频信号的频率一般在 20 kHz 以下，对应波长为 15 km 以上，直接传输时需要的天线约4 km，但使用如此巨大

7、的天线是不可能的。第章概 论此外，即使这样的天线制造出来，由于各个发射台发射的均为同一频段的低频信号，各信号在信道中会互相重叠、干扰，导致接收设备无法选择出所要接收的信号。因此，为了有效地进行传输，必须采用几百千赫以上的高频信号作为载体，将低频的基带信号“装载”到高频信号上(调制)，然后经天线发射出去。采用调制方式以后，由于传送的是高频信号，所需天线尺寸大大下降。同时，不同的发射台可以采用不同频率的载波信号，这样各种信号在频谱上就可以互相区分开了。第章概 论1.2.3 接收系统接收系统接收设备主要有三大任务：选频、放大、解调。接收设备将信道传送过来的已调信号从众多信号和噪声中选取出来，并对其进

8、行处理，以恢复出与发送端一致的基带信号。图 1.3 所示是通信系统中调幅式无线电接收设备的组成框图。第章概 论图1.3 无线通信接收设备第章概 论接收设备的第一级是高频放大器。发送设备发出的信号经过长距离传播会受到很大的衰减，能量损失较大，同时，信号还受到传输过程中来自各方面的干扰和噪声。当达到接收设备时，信号是很微弱的，需要经过放大器进行放大。并且，高频放大器的窄带特性可以同时滤除一部分带外的噪声和干扰。高频放大器的输出是载频为fs的已调信号，经过混频器与本地振荡器提供的频率为fL的信号混频，产生频率为fI的中频信号。中频信号经中频放大器放大，送到解调器，恢复原基带信号，再经低频放大器放大后

9、输出。第章概 论1.2.4 信道信道信道是信号传输的通道，也就是传输媒介，不同的信道有不同的传输特性。信道包括有线信道和无线信道。有线信道有架空明线、同轴电缆、波导管和光缆等，无线信道主要有大气层、海水或外层空间等。无线电波在空间传播的性能与大气结构、高空电离层结构、大地的衰减以及无线电波的频率、传播路径等因素密切相关，因此，不同频段无线电波的传播路径及其受上述各种因素的影响程度也不同。第章概 论在无线模拟通信系统中，传输媒介是自由空间。根据电磁波的波长或频率范围，电磁波在自由空间的传播有多种方式，各种传播方式下信号传输的有效性和可靠性不同，由此使得通信系统的构成及其工作机理也有很大的不同。第

10、章概 论无线电波在空间的传播速率与光速相同，约为 3108 m/s。无线电波的波长、频率和传播速率的关系为(1-1)式中，是波长，c是传播速率，f 是频率。由于电波的传播速率固定不变，所以信号频率越高，波长越短。第章概 论无线通信系统使用的频率范围很宽阔，从几十千赫兹到几十吉赫兹。不同频率范围的无线电波传播规律不同，应用范围也不同。习惯上将电磁波的频率范围划分为若干个区段，称做频段或波段。电磁波在空间的传播途径有三种。第一种是沿地面传播，称为地波，如图1.4(a)所示。例如，长波和中波通信的频率在 1.5 MHz 以下，波长较长，地面的吸收损耗较少，信号可以沿地面远距离传播。第二种是依靠电离层

11、的反射传播，称为天波，如图 1.4(b)所示。第章概 论 电磁波到达电离层后，一部分被吸收，一部分被反射和折射到地面。频率越高，被吸收和反射的能量越少，电磁波穿入电离层也越深，但当频率超过一定值后，电磁波就会穿过电离层而不再返回地面了。例如，对于频率范围为1.530 MHz的信号，波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，但能被电离层反射到远处，故可采用天波通信方式。第章概 论第三种是在空间直线传播，称为直线波或者空间波，如图1.4(c)所示。对于频率在30 MHz 以上的超短波，由于其波长较小，不能绕过地面障碍物，并且地面吸收损耗很大，因而不能用地波方式传播，而且超短波能穿透电离层，因而

12、也不能以天波方式传播，它只能在空间以直线方式传播。因为地球表面是球形的，所以直线波的传播距离有限，并与发射和接收天线的高度有关。移动通信、电视和调频广播等均采用直线波传播方式。第章概 论图1.4 无线电波的传播方式(a)地波；(b)天波；(c)直线波第章概 论1.2.5 无线通信系统的类型无线通信系统的类型通信系统的种类很多。按照所用信道的不同，可以分为有线通信系统和无线通信系统；按照业务(即所传输的信息种类)的不同，可以分为电话、电报、传真和数据通信系统等；按照通信系统中信道传输的基带信号不同，可以分为模拟通信系统和数字通信系统。第章概 论无线通信系统也有不同的划分方法。(1)按照工作频段或

13、传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。其中工作频段主要指发射与接收的射频(RF)频段。射频实际上就是“高频”的广义语，它是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。(2)按照通信方式分类，主要有(全)双工通信、半双工通信和单工通信。单工通信系统有时称为单向的、只接收或只发送的系统。商业电台或电视广播是单工通信的一个例子，电台总是发射端，而用户总是接收端。第章概 论半双工通信中，信号的传输可以在两个方向上进行，但不是同时的。使用按讲(PTT)开关控制发射机的双向无线电系统是半双工通信的例子。全双工通信中，信号的传输可以同时在两个方向上

14、进行。标准的电话系统就是全双工传输的例子。(3)按照调制方式的不同来划分，有调幅(AM)通信、调频(FM)通信、调相(PM)通信以及混合调制通信等。第章概 论调幅是指载波信号的幅度随基带信号变化；调频是指载波信号的频率随基带信号变化；调相是指载波信号的相位随基带信号变化。(4)按照传送消息的类型分类，有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同，但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的，遵从同样的规律。本书将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

15、系统中。第章概 论 在高频电路中，我们要处理的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，就是没有进行调制的原始信号，也称调制信号。高频载波信号主要指用于调制的高频振荡(载波)信号和用于解调的本地振荡信号(或称恢复载波)，一般为单一频率的正弦(或余弦)信号或脉冲信号。已调信号是调制信号对载波信号进行调制以后所得到的信号。基带信号通常为低频信号，后两者为高频信号。无线电信号有多方面的特性，主要包括时间(域)特性、频率特性、频谱特性、调制特性、传输特性等。1.3 信信 号号 第章概 论1.3.1 信号的分类信号的分类1.确定信号与随机信号确定信号与随机信号确定信号

16、可用一确定的时间函数来表示，对于指定的某一时刻，可以确定一个相应的函数值。例如，正弦信号就是确定信号。实际传输中的信号往往是不确定的，这种信号称为随机信号。随机信号不能用确定的时间函数来表示，当给定某一时间值时，信号的函数值并不确定，只能研究它取某一数值的概率。本书将只研究确定信号。第章概 论2.周期信号与非周期信号周期信号与非周期信号 周期信号按一定的时间间隔重复出现，其函数表达式为 f(t)=f(t+nT)n=0，1，2，(1-2)满足这个表达式的最小T值称为信号的周期。若令T趋于无限大，则周期信号就成为非周期信号。3.连续信号与离散信号连续信号与离散信号如果在某一时间间隔内，除了若干不连

17、续点之外，信号的函数表达式对一切时间值都给出确定的函数值，这种信号称为连续信号。图 1.5(a)所示的正弦波信号就是连续信号。时间和幅值都连续的信号又称为模拟信号。第章概 论 如果信号的函数表达式中，只在某些不连续的时间值上有给定函数值，则这种信号称为离散信号。图1.5(b)所示即为离散信号。时间变量取离散值时，称这种信号为离散时间信号。第章概 论图1.5 连续信号和离散信号(a)连续信号；(b)离散信号第章概 论如果离散时间信号的幅值是连续的，可称其为抽样信号。若离散信号的幅值也被限定为某些离散值，即时间与幅值都具有离散性，则称其为数字信号。4.能量信号与功率信号能量信号与功率信号 在一定的

18、时间间隔里，将信号加在负载上，负载中就消耗一定的信号能量。将这个能量值对于时间间隔取平均值，即得在此时间间隔内的信号平均功率。若时间间隔趋于无限大，则有两种情况：信号总能量为有限值，信号平均功率为零，这种信号称为能量信号；或者信号平均功率为有限值，信号能量为无限大，这种信号称为功率信号。周期信号都是功率信号；只存在于有限时间内的非周期信号是能量信号；存在于无限时间内的非周期信号可以是能量信号，也可以是功率信号。第章概 论5.噪声噪声在信号处理过程中会遇到各种无用的干扰信号。信号处理过程所引入的有害的干扰统称为噪声。噪声根据来源不同可分为：(1)人为噪声，亦称可消除噪声，如电器设备火花所产生的高

19、频脉冲、电源因滤波器不良而产生的交流噪声，由系统设计或结构不完善所引起的振荡等。这些噪声都是随机出现的，通过恰当的设计可以消除。(2)无规则的自然噪声，是由大气中的闪电、银河系的辐射、太阳黑子活动等所引起的噪声，这种噪声随频率上升而渐弱。第章概 论(3)起伏噪声，这是由系统内部的有源器件和实体电阻所产生的，如电阻或导体中的电子热运动引起的热噪声、半导体器件中载流子的扩散复合产生的随机噪声等。这种噪声在各种物理系统中都存在。起伏噪声的存在，使由电阻、导线、电子器件所构成的设备测量微弱信号的能力大大下降。就接收设备而言，噪声限制了它接收微弱信号的能力。噪声根据其特性可分为四类：热噪声、互调噪声、串

20、话噪声和脉冲噪声。第章概 论(1)热噪声是由电子在导体中的热运动产生的，它存在于所有电子器件和传输信道中。热噪声是温度的函数，温度越高，热噪声能量越大。热噪声的幅度服从正态分布，其功率谱密度为常数，即其具有均匀频谱，故热噪声也称为白噪声。热噪声所产生的干扰是不可能被消除的。(2)互调噪声的表现是，当不同频率的信号共用同一传输系统时，可以产生这些频率之间或这些频率的整倍数之间的和频或差频分量，它们的出现将干扰原频率处的信号。互调噪声是由通信系统中的非线性产生的。第章概 论(3)串话噪声的表现是当使用电话时，除通信方外，还可以听到其他通话的声音。串话是由线路间的耦合产生的。一般情况下，它与热噪声的

21、幅度相当。(4)脉冲噪声是一种不连续的、持续时间比较短而幅度较大的干扰信号。脉冲噪声多是来自传输系统外部的干扰，如工业干扰、天电干扰等。脉冲噪声对模拟信号的影响不严重，可表现为声音传输中的“喀拉”声，但其对数字信号传输系统的影响比较严重，会造成误码，特别是连续产生误码，从而破坏了传输数据的正确性。第章概 论1.3.2 信号的时间特性和频谱特性信号的时间特性和频谱特性 1.时间特性时间特性 确定信号可以用包含信号全部信息量的时间函数表示。因此，信号的特性首先表现为它的时间特性。信号的时间特性是指信号随时间变化的情况。这种变化有两重意义：一个意义是同一形状的波形重复出现的周期长短；另一个意义是信号

22、波形本身变化的速率。时间函数可以用时间域方法来进行分析，最主要的时间域分析方法是卷积。第章概 论2.频谱特性频谱特性对于较复杂的信号(如话音信号、图像信号等)，用频谱分析法表示较为方便。为了分析信号的频率特性，可采用傅里叶级数、傅里叶变换等变换域方法。这是因为任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和。如图1.6所示，图中实线为一重复频率为F的方波脉冲信号，点划线为该脉冲信号的直流分量，短虚线为其基波分量，长虚线为其直流分量、基波分量和三次谐波分量之和。谐波次数越高，幅度越小，其影响就越小。第章概 论周期性信号可以表示为许多离散的频率分量，如图1.7即为图1.6所示信号的频

23、谱图，水平轴表示频率，垂直轴表示幅度。对于非周期性信号，可以用傅里叶变换的方法将其分解为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分，它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位分布情况。从频谱特性上看，各个正弦分量的振幅和相位分别按频率高低排列，此频谱图即包含了信号的全部信息量。从理论上说，复杂信号的频谱可以扩展至无限，但实际上，由于原始信号的能量一般都集中在频率较低的范围内，高于某一频率的分量可以忽略不计，因此每一信号的频谱都有一个有效的频率范围，称为信号的频带。第章概 论图1.6 信号分解 第章概 论图1.7 信号频谱第章概 论3.信号传输频率信号传输频率(频率特性频率特性)无线电波

24、段可以按频率划分，也可以按波长划分。表1-1列出按波长划分的波段名称、相应的波长范围及相应的频段名称。不过，波段的划分是粗略的，各波段之间并没有明显的分界线，所以各波段的衔接处，无线电波的特性也无明显差异。第章概 论表表1-1 波波 段段 的的 划划 分分 第章概 论在实际的通信应用中，各波有不同的用途：极低频(Extremely Low Frequencies,ELF)：多用于低频遥测信号。话音频率(Voice Frequencies，VF)：包含与人类语音相关的频率，多用于标准电话信道，通称话音频率或话音频带信道。甚低频(Very Low Frequencies，VLF)：包括人类听觉范围

25、的高端，多用于某些特殊的政府或军事系统，比如潜艇通信。低频(Low Frequencies，LF)：主要用于船舶和航空导航。第章概 论中频(Medium Frequencies，MF)：主要用于商业AM无线电广播(5351605 kHz)。高频(High Frequencies，HF)：常称为短波(Short Wave)。大多数双向无线电通信使用这个频段，业余无线电和民用波段(CB)无线电也使用HF范围内的信号。甚高频(Very High Frequencies，VHF)：常用于移动通信、船舶和航空通信、商业FM广播(88108 MHz)及部分商业电视广播(54216 MHz)。第章概 论 特

26、高频(Ultrahigh Frequencies，UHF)：由商业电视广播的频道、陆地移动通信业务、蜂窝电话、某些雷达和导航系统、微波及卫星无线电系统所使用。一般说来，1 GHz以上的频率被认为是微波频率，它包含UHF范围的高端。超高频(Superhigh Frequencies，SHF)：主要用于微波及卫星无线电通信系统。极高频(Extremely High Frequencies，EHF)：除了十分复杂、昂贵及特殊的应用外，很少用于无线电通信。第章概 论红外光(Infrared)：0.3300 THz范围内的信号，通常不认为是无线电波。红外光归入电磁辐射，通常与热有关系。可见光(Visib

27、le Light)：包括落入人类可见范围(0.33 PHz)内的电磁频率，可用于光波通信。光波通信常与光纤系统一起使用，近年来它已成为电子通信系统的一种主要传输介质。紫外光、X射线、伽马射线及宇宙射线极少应用于电子通信，在此不再赘述。全部电磁频谱显示了各种业务的大概频段，如图1.8所示。第章概 论图1.8 电磁频谱第章概 论当涉及无线电波时，通常使用波长而不是频率为单位。波长是电磁波的一个周期在空间占用的长度(即在一个重复的波形中类似点之间的距离)。波长与波的频率成反比，且直接与波传播的速度(电磁能量在自由空间中的传播速度被认为是光速，即 3108 m/s)成正比。频率、速度及波长之间的关系：

28、波长=即=第章概 论其中,为波长(m)；c为光速(300 000 000 m/s)；f为频率(Hz)。例例1 确定下列频率的波长：1 kHz，100 kHz和10 MHz。第章概 论解解 代入公式得 总的电磁波长谱中标明了各波段内的各种业务，如图1.9所示。第章概 论图1.9 电磁波长谱第章概 论1.3.3 信号的传输特性信号的传输特性在通信设备中，属于线性系统的电路有线性放大器、滤波器、均衡器、相加(减)器、微分(积分)电路以及工作于线性状态下的反馈控制电路等。属于非线性系统的电路有谐振功率放大器、倍频器、振荡器、相乘器及各种调制解调器等。信号通过不同的系统，其特性是不一样的。第章概 论 1

29、.信号通过线性系统信号通过线性系统 信号通过线性系统时，系统的特性可以用单位冲激响应h(t)表示，其系统框图示于图1.10。第章概 论图1.10 线性系统特性第章概 论利用单位冲激响应h(t)可以分析信号通过线性系统的时域特性，系统输出和输入间的关系可以用卷积积分式表示：(1-3)式中，ui(t)是系统的输入信号，uo(t)是系统的输出信号。信号通过线性系统时，输出信号uo(t)的波形与输入信号ui(t)的波形仅在幅度和延时上略有不同，输出与输入信号波形基本不变，通常称这是信号的理想传输或无失真传输。第章概 论当信号通过非理想线性系统时，输出信号的频率特性或者幅频特性不是常数，或者相频特性不是

30、频率的线性函数；输出信号波形与输入信号波形相比，产生了失真。这是由于信号通过线性系统时，改变了输入信号各频率分量之间的相对关系，它只会表现为信号波形畸变，而不会增加新的频率分量，称这种失真为线性失真。第章概 论2.信号通过非线性系统信号通过非线性系统信号通过非线性系统后，非线性系统的输出信号中将产生新的频率分量，这是非线性系统最主要的特点。若系统具有如下非线性特性：uo=A0+A1ui(t)+A2u2i(t)(1-4)令输入信号ui(t)为ui(t)=Umcost (1-5)第章概 论将式(1-5)代入式(1-4)中，可得输出信号 (1-6)从式(1-6)可以看出，信号通过非线性系统后，其输出

31、中含有输入信号中原有的频率分量，但同时出现了输入信号中没有的频率分量(2)。第章概 论可以看出，信号通过非线性系统与通过线性系统的基本区别在于：信号通过非线性系统后，不仅输出信号中与输入信号同频率诸分量的幅度、相位有变化，而且出现了输入信号中没有的新的频率成分。这些频率成分是诸输入信号频率的各次倍频和它们之间的组合频率。在有些情况下，也可能在输出信号中不再出现某些输入信号的频率成分。信号通过非线性系统能够产生某些新的频率成分，这一特点在通信电路中获得广泛的应用，如倍频、混频、调制和解调等。第章概 论1.3.4 混合信号的传输特性混合信号的传输特性混合是组合两个或多个信号的过程，是电子通信中的一

32、个基本过程。大体上有两种办法组合成混合信号：线性的和非线性的。1.线性相加线性相加当两个或多个信号在一个线性器件(如无源网络或小信号放大器)中组合时会出现信号的线性相加，信号以这种方式组合没有新的频率产生，组合的波形只是各个信号的线性相加。在录音领域中，线性相加有时称为线性混音，但是在无线电通信领域中，混频几乎总是指非线性过程。第章概 论图1.11(a)显示了两个输入频率在一个小信号放大器中的组合。每个输入信号由增益(A)放大，因此输出为uout=Auin 其中 uin=Ua sin2fat+Ub sin2fbt (1-7)因此uout=A(Ua sin2fat+Ub sin2fbt)(1-8

33、)第章概 论或uout=AUa sin2fat+AUb sin2fbt (1-9)uout是包含两个输入频率的一个复杂波形且等于ua和ub的代数和。图1.11(b)显示了ua和ub在时域中的线性相加，而图1.11(c)显示了其在频域中的线性相加。如果另一些输入频率加到该电路上，它们同样与ua和ub线性相加。在高保真音频系统中，输出谱只包含原始的输入频率，因此要进行线性运算。但是在无线电通信中，调制经常需要进行非线性混频。第章概 论图1.11 线性混合(a)线性放大；(b)时域；(c)频域第章概 论2.非线性混频非线性混频当两个或多个信号在一个非线性器件(如一个二极管或大信号放大器)中组合时，会

34、出现非线性混频。非线性混频时，输入信号以非线性方式组合并产生额外的频率分量。下面分析单频率输入信号通过非线性放大器的特性。图1.12(a)显示了一个单频率输入信号由一个非线性放大器放大。输入单频率信号时，非线性放大器的输出不是一个单一的正弦或余弦波。数学上，该输出是无穷幂级数：(1-10)第章概 论其中，因此，(1-11)其中，Auin为线性项或由增益(A)放大的输出信号(fa)；为产生二次谐波频率(2fa)的平方项；为产生三次谐波频率(3fa)的立方项，等等。第章概 论产生一个频率等于nf的信号。例如，产生一个频率等于2fa的信号，产生一个频率等于3fa 的信号，等等。原始输入频率(fa)是

35、一次谐波(或基频)，2fa 是二次谐波，3fa是三次谐波，以此类推。图1.12(b)显示了非线性放大器在单频输入时时域中的输出波形。图1.12(c)显示了频域中的输出频谱，注意到相邻的谐波在频域上相隔一个基频(fa)。第章概 论图1.12 单输入频率的非线性放大(a)非线性放大；(b)时域；(c)频域第章概 论单频信号的非线性放大产生该频率的倍频(或谐波)。如果该谐波是不需要的，则产生了谐波失真。如果该谐波是需要的，则被称为频率倍增。第章概 论通信系统性能的两个最重要的限制是噪声和带宽。信号的带宽就是该信号中包含的最高和最低频率之差，通信信道的带宽就是该信道允许通过的最高频率和最低频率之差(即

36、它的通带)。通信信道的带宽必须足够大(宽)，以通过所有重要的信号频率。换句话说，通信信道的带宽必须等于或大于信号的带宽。例如，话音频率包含3003000 Hz之间的信号，因此，一个话音频率信道必须有等于或大于2700 Hz(3000-300 Hz)的带宽。如果有线电视传输系统的通带为5005000 kHz，则其带宽为4500 kHz。作为通用规则，一个通信系统不能传播频率变化范围大于信道带宽的信号。1.4 带宽和信息容量带宽和信息容量 第章概 论信息论(Information Theory)是研究有效利用带宽，通过电子通信系统传输信息的理论。信息论可用来确定通信系统的信息容量(Informat

37、ion Capacity)。信息容量是对给定时间内通过一个通信系统可以传输多少信息的一种度量。通过一个传输系统可以传输的信息量是系统带宽和传输时间的函数。1920年贝尔实验室的哈特莱(R.Hartlev)导出了带宽、传输时间和信息容量之间的关系。哈特莱定律简单地说明：带宽愈宽，传输时间愈长，能够通过该系统传送的信息就愈多。数学上，哈特莱定律表达为 IBt (1-12)第章概 论其中：I为信息容量；B为系统带宽(Hz)；t为传输时间(s)。公式(1-12)表明，信息容量是系统带宽和传输时间的线性函数并与两者直接成正比。如果通信信道的带宽加倍，则可以传送的信息量也加倍；如果传输时间增加或减少，则通

38、过系统传送的信息量也成比例改变。第章概 论通常，信息信号愈复杂，在给定时间内传送它所需的带宽就愈宽。传送语音质量的电话信号需要的带宽大约为3 kHz。相比之下，可将200 kHz带宽分配给传送高保真音乐的商业 FM广播，而广播质量的电视信号则需要大约6 MHz带宽。1948年，香农(，也是贝尔实验室的成员)在贝尔系统技术杂志上发表了一篇论文，论述了通信信道的信息容量(单位为比特每秒)与带宽和信噪比的关系。数学上，香农信息容量极限表述为 (1-13)第章概 论或 (1-14)式中,为信噪功率比(无单位)；I为信息容量(bs)；B为带宽(Hz)；Ps为信号功率(W)；Pn为噪声功率(W)。对于信噪

39、功率比为 1000(30 dB)，带宽为 2.7 kHz的标准话音频带通信信道，信息容量的香农极限为 I2700 lb(11000)26.9 kb/s 第章概 论 香农公式经常被错误理解。如上例结果表明，26.9 kb/s的信息容量可以通过一个2.7 kHz的信道传送。这也许是对的，但这不能用一个二进制系统来完成，要通过一个2.7 kHz的信道达到 26.9 kbs的信息传输速率，每个传送的符号必须包含大于1比特的信息。因此，要达到香农信息容量极限，必须使用输出状态(符号数)大于2的数字传输系统。公式(1-13)可以改写，用来确定通过一个系统传送给定数据量需要多少带宽：(1-15)第章概 论1-1 电子通信的定义是什么？1-2 通信系统的三个主要组成部分是什么？1-3 通信系统的两种基本类型是什么？1-4 描述下列术语：载波信号、调制信号和已调信号。1-5 简述调制和解调的概念。习习 题题 第章概 论1-6 在电子通信中为什么需要进行调制？1-7 什么是通信系统的信息容量？1-8 简述线性相加和非线性混合的含义。1-9 什么是电噪声？1-10 什么是白噪声？1-11 下列频率范围的频段名称是什么？(1)330 kHz；(2)0.33 MHz；(3)330 GHz。