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1、1高频电子线路X第第1章章 绪论绪论2高频电子线路X主要内容主要内容v1.1 无线电通信发展简史无线电通信发展简史v1.2 无线电信号传输原理无线电信号传输原理v1.3 通信的传输媒介通信的传输媒介v1.4 信号及其频谱信号及其频谱3高频电子线路X1.1 1.1 无线电通信发展简史无线电通信发展简史v无线电发展史上的一些重大事务无线电发展史上的一些重大事务v1864年，年，英英麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwell），电磁场的动），电磁场的动力理论，理论上证明电磁波的存在力理论，理论上证明电磁波的存在v1887年，年，德德赫兹（赫兹（Hertz），试验证明电磁波的客观），试验证明电磁波的客观存在存
2、在v1895年，年，意意马可尼（马可尼（Marconi），首次利用电磁波），首次利用电磁波进行通信获得成功，进行通信获得成功，1901年首次完成了横渡大西洋的年首次完成了横渡大西洋的通信通信v1904年，弗莱明（年，弗莱明（Fleming）独创电子二极管，进入）独创电子二极管，进入无线电电子学时代无线电电子学时代v1907年，福雷斯特（年，福雷斯特（Forest）独创电子三极管，是电）独创电子三极管，是电子技术发展史上第一个重要里程碑子技术发展史上第一个重要里程碑v1948年年 肖克莱（肖克莱（Shockley）等人独创晶体三极管，）等人独创晶体三极管，是电子技术发展史上其次个重要里程碑是电子
3、技术发展史上其次个重要里程碑v20世纪世纪60年头，集成电路的出现，是电子技术发展史年头，集成电路的出现，是电子技术发展史上第三个重要里程碑上第三个重要里程碑4高频电子线路X1.2 1.2 无线电信号传输原理无线电信号传输原理v1.2.1 传输信号的基本方法传输信号的基本方法v1.2.2 无线电信号的发送无线电信号的发送v1.2.3 无线电信号的接收无线电信号的接收v1.2.4 传输信道传输信道5高频电子线路X1.2.1 1.2.1 传输信号的基本方法传输信号的基本方法v早期简洁的有线传输早期简洁的有线传输v有线电话：传声器将声波转换成包含相同频谱成分的有线电话：传声器将声波转换成包含相同频谱
4、成分的电波（电流或电压），电波经过导线传播，扬声器将电波（电流或电压），电波经过导线传播，扬声器将电波还原成声波。电波还原成声波。v有线电报：通过电流导通与否、导通时间的长短来传有线电报：通过电流导通与否、导通时间的长短来传递。递。v无线传输无线传输v麦克斯韦的理论和赫兹的试验证明：电能不仅可麦克斯韦的理论和赫兹的试验证明：电能不仅可以沿导线传输而且可以在空间以电磁波形式传播。以沿导线传输而且可以在空间以电磁波形式传播。v载波（载波（Carrier）v 导体如载有高频信号，可以以电磁波向空间辐射。高频信号称导体如载有高频信号，可以以电磁波向空间辐射。高频信号称为为载波信号载波信号，简称载波。这
5、种频率称为，简称载波。这种频率称为载波频率载波频率或或射频射频（Radio Frequency，RF）。）。6高频电子线路X1.2.1 1.2.1 传输信号的基本方法（续传输信号的基本方法（续1 1）v通信系统框图通信系统框图v信源信源v信息的来源。如：声音、图像、温度等。信源通信息的来源。如：声音、图像、温度等。信源通常是一些自然现象中的物理量。常是一些自然现象中的物理量。v信宿信宿v可以接受信息的设备、仪器和其它。可以接受信息的设备、仪器和其它。v输入变换器输入变换器v将信源信息变换成相应的电信号，这种电信号通将信源信息变换成相应的电信号，这种电信号通常称为常称为“基带信号基带信号”。v输
6、出变换器输出变换器v将接收设备输出的信号变换为人们所简洁识别的将接收设备输出的信号变换为人们所简洁识别的信息。信息。发送设备接收设备信道信信源源信信宿宿输入变换器输出变换器传传声声器器摄摄像像机机温度温度传感传感器器电电信信号号7高频电子线路X1.2.1 1.2.1 传输信号的基本方法（续传输信号的基本方法（续2 2）发送设备发送设备将基带信号变换为适合在不同信道传输的信号并发送出去。将基带信号变换为适合在不同信道传输的信号并发送出去。它完成对基带信号的处理，通常包括对基带信号放大、滤波、它完成对基带信号的处理，通常包括对基带信号放大、滤波、振荡、调制、振荡、调制、输出等。输出等。接收设备接收
7、设备它将信道传送来的信号还原出原发送端的基带信号。通常包它将信道传送来的信号还原出原发送端的基带信号。通常包括输入电路、混频、解调、放大等。括输入电路、混频、解调、放大等。信道信道信号传输的途径，是发送设备和接受设备之间的传输媒介。信号传输的途径，是发送设备和接受设备之间的传输媒介。有线信道：双绞线、同轴电缆、光纤等。有线信道：双绞线、同轴电缆、光纤等。无线信道：自由空间。无线信道：自由空间。发送设备接收设备信道信信源源信信宿宿输入变换器输出变换器8高频电子线路X1.2.1 1.2.1 传输信号的基本方法（续传输信号的基本方法（续3 3）信号传输方式信号传输方式 基带传输基带传输载波传输载波传
8、输将基带信号干脆发送至信道。该方式通常运用有线信道，如电将基带信号干脆发送至信道。该方式通常运用有线信道，如电话电缆传输音频基带信号。对于数字基带信号可以通过时分复话电缆传输音频基带信号。对于数字基带信号可以通过时分复用进行多路基带传输，而对模拟基带信号则无法干脆进行多路用进行多路基带传输，而对模拟基带信号则无法干脆进行多路基带传输，只能通过载波传输实现多路复用（频分复用），或基带传输，只能通过载波传输实现多路复用（频分复用），或先对其数字化，然后通过时分复用。先对其数字化，然后通过时分复用。将基带信号加载于高频载波信号之上（调制），然后通过信道将基带信号加载于高频载波信号之上（调制），然后通
9、过信道传输。载波传输可以运用有线信道（如闭路电视系统），也可传输。载波传输可以运用有线信道（如闭路电视系统），也可以运用无线信道（如移动通信系统）。以运用无线信道（如移动通信系统）。广广义义的的调调制制传传输输狭义的调制传输狭义的调制传输9高频电子线路X1.2.2 1.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（1 1）如何用基带信号去限制载波信号（调制），使之如何用基带信号去限制载波信号（调制），使之包含信息以及如何对已调信号做适当处理（如高频功包含信息以及如何对已调信号做适当处理（如高频功率放大），使之适合于发送的问题。率放大），使之适合于发送的问题。几个概念几个概念基带信号（调制信号）基
10、带信号（调制信号）载波（信号）载波（信号）已调波（信号）已调波（信号）a基带信号基带信号 b载波载波 c调幅波调幅波 d调频波调频波 e调相波调相波表现消息的电信号，如图表现消息的电信号，如图像、话音和数据等等。像、话音和数据等等。尚未受调制的单一频率的尚未受调制的单一频率的正弦波信号。正弦波信号。受消息调制的高频信号，受消息调制的高频信号，如调幅波、调频波等等。如调幅波、调频波等等。10高频电子线路X1.2.2 1.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（2 2）v调制（调制（Modulation）v概念（狭义）概念（狭义）v v调制的作用调制的作用v信号便于在信道中传输信号便于在信道中
11、传输v由天线和电磁波理论的探讨表明，用于无线发送由天线和电磁波理论的探讨表明，用于无线发送的天线的长度的天线的长度L至少应为电磁信号波长至少应为电磁信号波长的四分之一。的四分之一。v语音信号基本频率范围为：语音信号基本频率范围为：3003000Hz，则天线，则天线长度至少应为长度至少应为v实现信道多路复用实现信道多路复用v不同基带信号的频率范围可能相互重叠，在同一不同基带信号的频率范围可能相互重叠，在同一个信道中，接收机将无法区分各个信号。个信道中，接收机将无法区分各个信号。用需传输的基带信号去限制高频载波信号的过程。用需传输的基带信号去限制高频载波信号的过程。11高频电子线路X1.2.2 1
12、.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（3 3）分类分类连续波（连续波（Continuous Wave，CW）调制）调制基带信号为模拟信号时：基带信号为模拟信号时：振幅调制（调幅，振幅调制（调幅，Amplitude Modulation，AM）频率调制（调频，频率调制（调频，Frequency Modulation，FM）相位调制（调相，相位调制（调相，Phase Modulation，PM）基带信号为数字信号时（调制又常称为键控）：基带信号为数字信号时（调制又常称为键控）：振幅键控（振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）频率键控（频率键控（Frequency
13、Shift Keying，FSK）相位键控（相位键控（Phase Shift Keying，PSK）脉冲波调制脉冲波调制调制的对象是脉冲信号而非连续的正弦波，通过对其振幅、调制的对象是脉冲信号而非连续的正弦波，通过对其振幅、宽度、频率和位置宽度、频率和位置/相位变更分别可实现脉冲振幅调制相位变更分别可实现脉冲振幅调制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）、脉冲宽度调制）、脉冲宽度调制（Pulse Width/Duration Modulation，PW/DM）、脉冲频）、脉冲频率调制（率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）和脉冲位置）和
14、脉冲位置/相位调制（相位调制（Pulse Position/Phase Modulation，PPM）。）。12高频电子线路X1.2.2 1.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（4 4）v典型发送设备框图典型发送设备框图以调幅发送设备为例子。以调幅发送设备为例子。缓冲级缓冲级倍频器倍频器放大级放大级调制器调制器高频高频功放功放振荡器振荡器低频低频功放功放低频低频放大放大13高频电子线路X1.2.2 1.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（5 5）v发送设备单元电路说明发送设备单元电路说明v振荡器振荡器v产生高频载波信号，它确定了放射台的载波频率产生高频载波信号，它确定了放射台的
15、载波频率（中心频率）。一般对放射台载波频率的稳定度要求（中心频率）。一般对放射台载波频率的稳定度要求较高，所以，多用石英晶体振荡器。较高，所以，多用石英晶体振荡器。v缓冲级缓冲级v隔离负载对主振荡器的影响，提高频率稳定度。隔离负载对主振荡器的影响，提高频率稳定度。v倍频器倍频器v由于石英晶体的频率不太高，所以一般用倍频的由于石英晶体的频率不太高，所以一般用倍频的方法来获得放射机须要的载波频率。方法来获得放射机须要的载波频率。v放大级放大级v一般倍频器的输出信号较弱，不足以推动调制器，一般倍频器的输出信号较弱，不足以推动调制器，所以，通常在调制器前加有放大级，增加载波信号的所以，通常在调制器前加
16、有放大级，增加载波信号的幅值和功率。幅值和功率。14高频电子线路X1.2.2 1.2.2 无线电信号的发送（无线电信号的发送（6 6）低频放大低频放大放大话筒输出的微弱信号。放大话筒输出的微弱信号。低频功放低频功放推动调制器须要确定功率，故用低频功放。推动调制器须要确定功率，故用低频功放。调制器调制器完成基带信号（调制信号）对高频载波信号的调制，产生已完成基带信号（调制信号）对高频载波信号的调制，产生已调波。调波。高频功放高频功放为了满足电台覆盖范围的须要，放射机必需放射出确定的高为了满足电台覆盖范围的须要，放射机必需放射出确定的高频功率。频功率。15高频电子线路X1.2.3 1.2.3 无线
17、电信号的接收（无线电信号的接收（1 1）如何对接收到的已调信号做适当处理（如小信号如何对接收到的已调信号做适当处理（如小信号放大、变频等），以及如何从从中复原出基带信号放大、变频等），以及如何从从中复原出基带信号（解调）的问题。（解调）的问题。典型接收设备框图典型接收设备框图以超外差式调幅接收设备为例子。以超外差式调幅接收设备为例子。16高频电子线路X1.2.3 1.2.3 无线电信号的接收（无线电信号的接收（2 2）高频高频放大放大混频器混频器中频中频放大放大解调器解调器低频低频放大放大输入输入回路回路自动自动增益增益控制控制本地本地振荡器振荡器变频器变频器17高频电子线路X1.2.3 1.
18、2.3 无线电信号的接收（无线电信号的接收（3 3）v接收设备单元电路说明接收设备单元电路说明v输入回路输入回路v自由空间的电磁信号很多，由输入回路来选择须自由空间的电磁信号很多，由输入回路来选择须要的已调波信号。如：收音机的调台旋钮、电视机的要的已调波信号。如：收音机的调台旋钮、电视机的频道开关，就是通过变更输入回路的参数来选择须要频道开关，就是通过变更输入回路的参数来选择须要的电台信号。的电台信号。v高频放大高频放大v天线回路（输入回路）输出的信号是特别微弱的天线回路（输入回路）输出的信号是特别微弱的信号，为了提高信号的信噪比和混频效果，在较高级信号，为了提高信号的信噪比和混频效果，在较高
19、级的接收设备中通常加一级高频放大，一般的收音机一的接收设备中通常加一级高频放大，一般的收音机一般没有高频放大。般没有高频放大。v本地振荡器本地振荡器v它的振荡频率与输入回的路谐振频率同步变更。它的振荡频率与输入回的路谐振频率同步变更。这里之所以叫做这里之所以叫做“本地振荡器本地振荡器”，是与放射端的高频，是与放射端的高频载波振荡器相对而言的，有时也叫做载波振荡器相对而言的，有时也叫做“本机振荡器本机振荡器”。18高频电子线路X1.2.3 1.2.3 无线电信号的接收（无线电信号的接收（4 4）混频器混频器 中频放大器中频放大器由天线接收到的高频调幅信号大约为由天线接收到的高频调幅信号大约为mV
20、级甚至是级甚至是V级，而级，而解调器正常工作所需的电压约在解调器正常工作所需的电压约在0.5V1V，所以，中频放大器，所以，中频放大器必需具有很高的增益。必需具有很高的增益。混频器将接收到的高频调幅波信号（载波频率混频器将接收到的高频调幅波信号（载波频率 ）和本机振）和本机振荡器输出的高频等幅信号（频率为荡器输出的高频等幅信号（频率为 ）进行频率变换，产生）进行频率变换，产生一个新的固定频率的中频调幅信号，该中频调幅信号的幅度变一个新的固定频率的中频调幅信号，该中频调幅信号的幅度变化规律和接收到的高频调幅信号的幅度变化规律完全一样。并化规律和接收到的高频调幅信号的幅度变化规律完全一样。并且，中
21、频频率（且，中频频率（）一般远远低于接收信号的载波频率，即）一般远远低于接收信号的载波频率，即或或这里之所以用混频器将接收的调幅信号变换到载波频率为这里之所以用混频器将接收的调幅信号变换到载波频率为 的固定频率的中频调幅信号，是因为要设计出灵敏度很高、选的固定频率的中频调幅信号，是因为要设计出灵敏度很高、选择性很好的、中心频率可变的高频放大器是非常困难的。为解择性很好的、中心频率可变的高频放大器是非常困难的。为解决这个问题，目前普遍采用超外差电路。决这个问题，目前普遍采用超外差电路。19高频电子线路X1.2.3 1.2.3 无线电信号的接收（无线电信号的接收（5 5）解调（检波）解调（检波）对
22、中频调幅信号进行解调，输动身射端原基带信号（调制信对中频调幅信号进行解调，输动身射端原基带信号（调制信号）。号）。低频放大低频放大对检波器输出的原调制信号进行电压和功率放大，以推动信对检波器输出的原调制信号进行电压和功率放大，以推动信息接收设备（如：扬声器）。息接收设备（如：扬声器）。自动增益限制自动增益限制由于无线电磁信号在信道传输过程中会受到各种各样的影响，由于无线电磁信号在信道传输过程中会受到各种各样的影响，使得接收的信号忽强忽弱，该限制可减小这种影响。使得接收的信号忽强忽弱，该限制可减小这种影响。20高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（1 1）v有线信道有线信
23、道双绞线（双绞线（Twisted Pair）同轴电缆（同轴电缆（Coaxial Cable）光纤（光纤（Fiber）v无线信道无线信道传输媒介为自由空间，主要是利用自由空间的电磁特性来传传输媒介为自由空间，主要是利用自由空间的电磁特性来传播电磁波信号。播电磁波信号。21高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（2 2）22高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（3 3）无线电波的波无线电波的波/频段划分表频段划分表23高频电子线路X24高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（3 3）传播方式传播方式(a)地波传播地波传播 (b)天
24、波传播天波传播(c)视距传播视距传播 (d)散射传播散射传播25高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（4 4）地波传播地波传播沿地面传播；沿地面传播；频率越高其在地表的损耗就越大，一般适用于长波和超长频率越高其在地表的损耗就越大，一般适用于长波和超长波；波；地表的导电性能在短时间内较稳定，传播特性比较稳定牢地表的导电性能在短时间内较稳定，传播特性比较稳定牢靠的。靠的。天波传播（电离层反射和折射传播）天波传播（电离层反射和折射传播）经距地面经距地面100500km的电离层反射和折射后传到接收地的电离层反射和折射后传到接收地点；点；由于惯性关系，频率越高，电子和离子的振荡幅
25、度就越小，由于惯性关系，频率越高，电子和离子的振荡幅度就越小，因而它们吸取的能量也就越小。从这一点来看，利用电离层通信因而它们吸取的能量也就越小。从这一点来看，利用电离层通信宜接受较高的频率，但当频率超过确定值以后，电磁波会穿透电宜接受较高的频率，但当频率超过确定值以后，电磁波会穿透电离层。一般适用于短波传播；离层。一般适用于短波传播；不稳定，电离层随昼夜、季节和气候变更。不稳定，电离层随昼夜、季节和气候变更。26高频电子线路X1.3 1.3 通信的传输媒介（通信的传输媒介（5 5）视距传播（直线传播）视距传播（直线传播）进入超短波波段后，地波传播衰减极大，天波传播又会穿进入超短波波段后，地波
26、传播衰减极大，天波传播又会穿透电离层，这时只能接受视距传播方式；透电离层，这时只能接受视距传播方式；较稳定，但传送距离近。较稳定，但传送距离近。散射传播散射传播由于对流层（或电离层）的散射作用，电磁波能够被传播由于对流层（或电离层）的散射作用，电磁波能够被传播到大大超过视距距离的地方；到大大超过视距距离的地方；已成为超短波以至微波波段远距离传输的一个有力手段。已成为超短波以至微波波段远距离传输的一个有力手段。27高频电子线路X1.4 1.4 信号及其频谱信号及其频谱(1)(1)简洁介绍一些信号与频谱的基本概念，具体内容参考简洁介绍一些信号与频谱的基本概念，具体内容参考信号与系统。信号与系统。数
27、学表达式数学表达式 波形表达式波形表达式如余弦波如余弦波28高频电子线路X1.4 1.4 信号及其频谱（信号及其频谱（2 2）v频域表示法频域表示法v 依据傅立叶变换的基本原理，任何一个函数都依据傅立叶变换的基本原理，任何一个函数都可以用傅立叶级数绽开。假如把信号看成一个函数，可以用傅立叶级数绽开。假如把信号看成一个函数，这就为我们探讨信号供应了一新的方法。通过探讨信这就为我们探讨信号供应了一新的方法。通过探讨信号的频谱我们可以突出在信号传输中存在的主要问题，号的频谱我们可以突出在信号传输中存在的主要问题，如信号的频谱变更规律，信号的能量分布如信号的频谱变更规律，信号的能量分布。v 由于任何困
28、难的信号，都可分解为很多不同频由于任何困难的信号，都可分解为很多不同频率的正弦信号之和，因此，所谓率的正弦信号之和，因此，所谓“频谱频谱”即是指组成即是指组成信号的各正弦重量按频率分布的状况。为了更直观地信号的各正弦重量按频率分布的状况。为了更直观地了解信号的频率组成和特点，我们通常接受作图的方了解信号的频率组成和特点，我们通常接受作图的方法来表示频谱。用频率法来表示频谱。用频率 f 作横坐标，用信号的各正弦作横坐标，用信号的各正弦重量的相对振幅作纵坐标，通常称之为频谱图。重量的相对振幅作纵坐标，通常称之为频谱图。29高频电子线路X1.4 1.4 信号及其频谱（信号及其频谱（3 3）如一般语音
29、信号的频谱示意图：如一般语音信号的频谱示意图：可以看到语音信号的频谱是连续的，其主要能量可以看到语音信号的频谱是连续的，其主要能量集中在集中在1000Hz左右，能量主要分布在左右，能量主要分布在300Hz3400Hz之间。之间。电压f/Hz300340030高频电子线路X1.4 1.4 信号及其频谱（信号及其频谱（4 4）又如周期矩形脉冲信号的频谱：又如周期矩形脉冲信号的频谱：f1表示脉冲重复频率，也就是基波频率。表示脉冲重复频率，也就是基波频率。f3、f5、f7分别表示三、五、七次谐波，在分别表示三、五、七次谐波，在f轴的轴的0点，表示直点，表示直流重量，这条谱线的长度表示脉冲直流重量（即平
30、衡值）流重量，这条谱线的长度表示脉冲直流重量（即平衡值）的大小。高次谐波的谱线可以分布到很高的频率，但其的大小。高次谐波的谱线可以分布到很高的频率，但其幅度已相当小。幅度已相当小。31高频电子线路X1.4 1.4 信号及其频谱（信号及其频谱（5 5）方波的分解：方波的分解：32高频电子线路X4.画出无线通信收发信机的组成框图。画出无线通信收发信机的组成框图。5.无线通信为什么要进行调制？无线通信为什么要进行调制？思索题与习题思索题与习题Prev Next1.一个完整的通信系统一般由一个完整的通信系统一般由 、等部分组成。等部分组成。2.人耳能听到的声音的频率约在人耳能听到的声音的频率约在 到到
31、 的的范围内。范围内。3.3.无线通信为什么要用高频信号？无线通信为什么要用高频信号？33高频电子线路X3、因为：低频信号能量较低，辐射力弱；放射低、因为：低频信号能量较低，辐射力弱；放射低频信号须要巨大尺寸的天线，无法实现；不同放射频信号须要巨大尺寸的天线，无法实现；不同放射台的信号同样的接收机无法区分，且会造成相互干台的信号同样的接收机无法区分，且会造成相互干扰。故无线通信要用高频信号。扰。故无线通信要用高频信号。34高频电子线路X摩尔定律摩尔定律(The law of Moore)(The law of Moore)v英特尔公司创始人之一戈登英特尔公司创始人之一戈登摩尔提出著名的摩尔提出
32、著名的“摩尔定律摩尔定律”,集成电路的晶体管集成电路的晶体管密度每密度每18至至24个月翻一番个月翻一番.其精确性始终为集成电路工业所验证其精确性始终为集成电路工业所验证 1971年，Intel发布了第一个微处理器4004，2300多个晶体管2007年，45nm CPU,8.2亿个晶体管35高频电子线路X36高频电子线路X人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的学问面。有很多书籍还能培育我们的道德情操，给我们巨大的精神力气，鼓舞我们前进。37高频电子线路X