高頻-第1章緒論無線通信系統(tǒng)原理方框.ppt

第1章 緒論,1.1 無線通信系統(tǒng)概述 1.1.1 無線通信系統(tǒng)的組成 1.1.2 無線通信系統(tǒng)的類型 1.2 信號、頻譜與調(diào)制,作業(yè)： 1-1、1-3,1.1 無線通信系統(tǒng)概述,1.1.1無線通信系統(tǒng)的組成,發(fā)送設(shè)備主要由基帶信號處理、調(diào)制器、頻帶信號處理、功率放大器組成。 發(fā)送設(shè)備的任務（功能）：調(diào)制、放大與濾波。 接收設(shè)備主要由射頻選擇放大、解調(diào)、基帶信號處理、功率放大器組成。 接收設(shè)備的任務（功能）：解調(diào)、放大與濾波。 輸入換能器 輸出換能器,接收設(shè)備的結(jié)構(gòu),接收設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)：超外差式。 有一次變頻、二次變頻等結(jié)構(gòu)形式。 鏡頻抑制接收機結(jié)構(gòu) 零中頻式接收機結(jié)構(gòu),鏡頻抑制接收機原理,零中頻接收機結(jié)構(gòu),優(yōu)點:1.無鏡頻干擾； 2.射頻處理模塊少； 3.不需中頻濾波器,缺點：1.本振泄漏(經(jīng)射頻通道、天線泄漏)； 2.低噪聲放大器偶次諧波失真干擾； 3.直流偏差（泄漏的本振經(jīng)天線接收在與本振混頻為零中頻 的直流信號，遠大于信號）（用交流耦合或諧波混頻消除）； 4.低頻閃爍噪聲（場效應管較嚴重，頻率越低越大）干擾。,1.1.2 無線通信系統(tǒng)的類型,按系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性分類： 按工作頻段分：中波、短波、超短波、微波和衛(wèi)星等通信系統(tǒng)。 按通信方式分：（全）雙工、半雙工和單工方式。 按調(diào)制方式分：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和混合調(diào)制。 按傳送的消息的類型分：模擬和數(shù)字通信。 還有其它分類： 移動和固定 專用和公用、軍用和民用 頻分多址和時分多址、碼分多址、空分多址 陸地、空中、海上、航天,1.2 信號、頻譜與調(diào)制 高頻電路中要處理的無線電信號主要有三種：基帶（消息）信號、高頻載波信號和已調(diào)信號。主要有時間特性、頻率特性、頻譜特性、調(diào)制特性和傳播特性。,時間特性：各種信號波形，電參量隨時間而變化。 頻譜特性：頻譜圖，或諧波分析。信號包含各種不同頻率正弦信號的幅度大小。 頻率特性：任何信號都具有一定的頻率或波長，也都具有一定的頻率范圍（帶寬）。 調(diào)制特性：信號要遠距離傳輸都必需經(jīng)過調(diào)制，特別是無線傳輸。 傳播特性：無線通信的傳播媒質(zhì)主要是自由空間。不同的頻率，有不同的傳播方式。,1.時間特性 無線電信號（電流或電壓）的幅度隨時間的變化 關(guān)系。表現(xiàn)為周期性或非周期性，連續(xù)變化或不連 續(xù)變化，等等。 2.頻譜特性 非單一頻率的信號（非正弦信號，如脈沖信 號），都包含不同的頻率分量，有特定的頻譜結(jié)構(gòu)。 表現(xiàn)為連續(xù)或不連續(xù)特點。 占據(jù)一定的寬度。如： 語音的頻譜寬度約為 1006000Hz，圖像的 頻譜寬度約為06MHz。,3.頻率特性 任何信號都具有一定的頻率或波長。在自由空間，頻率和 波長有如下關(guān)系：,(力學公式),應當指出，不同頻段的信 號具有不同的分析與實現(xiàn)方 法，對于米波（超短波或甚高頻）以上信號，通常用集總 （中）參數(shù)的方法來分析與實現(xiàn)；對于米波一下的信號一般 用分布參數(shù)的方法來分析與實現(xiàn)。,4.傳播特性 依據(jù)無線電信號 的頻段或波長，其傳播方式、傳 播距離及傳播特點有所不同。 電波傳播方式：直射（視距）、繞射（地波）、 散射（空間波）、折射（不同介質(zhì)）、反射（天波）。 廣播發(fā)射方式：地波、天波、空間波。 中、低頻（中、長波）-地波方式繞射傳播。 波長越長，吸收損耗越少。 短波波段-天波方式沿電離層反射傳播。頻率 越高電離層吸收越少，但越容易穿透電離層。 超短波以上（甚高頻VHF）-空間波方式直射傳播。,5.調(diào)制特性 調(diào)制特性在無線電 通信中的作用是至關(guān)重要的。 無線電輻射是通過天線向外輻射，天線的尺寸與波 長相適應，信號通過調(diào)制到很高的頻率上，通過較 小的天線有效的輻射到空間，形成電磁波輻射。 調(diào)制的另一個作用是，實現(xiàn)信道的復用，提高信 道的利用率。 數(shù)字調(diào)制還能實現(xiàn)抗干擾、糾錯和保密功能。 調(diào)制分為模擬和數(shù)字調(diào)制。 調(diào)制分為正弦調(diào)制和脈沖調(diào)制（載波為正弦或脈 沖信號）,信號如何調(diào)制？,調(diào)制方式：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。 （1）調(diào)幅 高頻載波信號的幅度受調(diào)制信號控制，隨調(diào)制 信號的變化而變化。分為AM、DSB、SSB、VSB調(diào)幅制。 （2）調(diào)頻 高頻載波信號的頻率受調(diào)制信號控制，隨調(diào)制 信號的變化而變化。 （3）調(diào)相 高頻載波信號的相位受調(diào)制信號控制，隨調(diào)制 信號的變化而變化。,2. 調(diào)制方法： （1）調(diào)幅 頻譜線性搬移（相乘器） （2）調(diào)相 頻譜非線性搬移（諧振回路、移相網(wǎng)絡等） （3）調(diào)頻 頻譜非線性搬移（直接與間接調(diào)頻） 直接調(diào)頻：調(diào)制信號直接控制振蕩器。 間接調(diào)頻：先將調(diào)制信號積分后再進行直接調(diào)相。,第二章 高頻電路基礎(chǔ),各種高頻電路基本上是由有源器件、無源元件和無源網(wǎng) 絡組成的。 高頻電路中使用的元器件與在低頻電路中使用的元器件基本相同，但是注意它們在高頻使用時的高頻特性。 高頻電路中的元件主要是電阻（器）、電容（器）和電 感（器）, 它們都屬于無源的線性元件。高頻電路中完成信 號的放大，非線性變換等功能的有源器件主要是二極管，晶體管和集成電路。,2.1 高頻電路中的元器件,1.電阻器 一個實際的電阻器，在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性，但在高頻使用時不僅表現(xiàn)有電阻特性的一面，而且還表現(xiàn)有電抗特性的一面。電阻器的電抗特性反映的就是高頻特性。,一個電阻R的高頻等效電路如圖所示，其中CR為分布電容，LR為引線電感，R為電阻。,電阻的高頻等效電路,電阻r隨頻率增高而增加，這主要是趨膚效應的影響.,2. 電感線圈的高頻特性 電感線圈在高頻頻段除表現(xiàn)出電感L的特性外，還具有一定的損耗電阻r和分布電容。在分析一般長、中、短波頻段電路時，通常忽略分布電容的影響。因而，電感線圈的等效電路可以表示為電感L和電阻r串聯(lián)，如圖所示。,電感線圈的低頻等效電路,3. 電容器的高頻特征 一個實際的電容器除表現(xiàn)電容特性外，也具有損耗電阻和分布電感。 與電感線圈相比，電容的損耗常常忽略不計。 電容器的等效電路也有兩種形式，如圖所示。,設(shè)流過電感線圈的電流為I，則電感L上的無功功率為I2L，而線圈的損耗功率，即電阻r的消耗功率為I2r，所以電感的品質(zhì)因數(shù)為,Q值是一個比值，它是感抗L與損耗電阻r之比，Q值越高損耗越小，一般情況下, 線圈的Q值通常在幾十到一二百左右。,品質(zhì)因數(shù) 表示線圈的損耗性能。 定義：無功功率與有功功率之比 :,電感與電阻串聯(lián)形式的線圈等效電路轉(zhuǎn)換為電感與電阻的并聯(lián)形式。,電感線圈串、并聯(lián)等效電路,根據(jù)等效電路的原理，在左圖中1-2兩端的導納應等于右圖中1-2兩端的導納，即,由上式，并用式(1.1.2)就可以得到,( 1.1.4 ),由上述結(jié)果表明，一個高Q電感線圈，其等效電路可以表示為串聯(lián)形式,也可以表示為并聯(lián)式行。在兩種形式中，電感值近似不變，串聯(lián)電阻與并聯(lián)電阻的乘積等于感抗的平方。即：,當Q 1時，則,串聯(lián)與并聯(lián)轉(zhuǎn)換（電感）,轉(zhuǎn)換,由式(1.1.4)看出，r越小R就越大，即損耗小，反之，則損耗大。 一般地，r為幾歐的量級，變換成R則為幾十到幾百千歐。 Q 也可以用并聯(lián)形式的參數(shù)表示。 由式(1.1.4)有 上式代入(1.1.2)得,-用并聯(lián)形式表示,（ -用串聯(lián)形式表示）,表示同一個電感的損耗。,電感的損耗,為了說明電容器損耗的大小，引入電容器的品質(zhì)因數(shù)Q，用串聯(lián)形式表示為：,-串聯(lián)形式表示,-并聯(lián)形式表示,電容器損耗電阻的大小主要由介質(zhì)材料決定。 Q值可達幾千到幾萬的數(shù)量級，因此， 電容器的損耗常常忽略不計。,用并聯(lián)形式表示為：,電容的損耗,同理，可以推導出上圖串、并聯(lián)電路的變換式:,當Q 1時，它們近似式為,串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的乘積等于容抗的平方。即,r,C,R,串聯(lián)與并聯(lián)轉(zhuǎn)換（電容）,2.1.2 高頻電路中的有源器件 從原理上看，用于高頻電路的各種有源器件，與用于低頻或其他電子線路的器件沒有根本不同。 只是由于工作在高頻范圍，對器件的某些性能要求更高。 隨著半導體和集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，能滿足高頻應用要求的器件越來越多，也出現(xiàn)了一些專門用途的高頻半導體器件。,1. 二極管 半導體二極管在高頻中主要用于檢波、調(diào)制、解調(diào)及混頻等非線性變換電路中，工作在低電平。因此主要用點接觸式二極管和表面勢壘二極管(又稱肖特基二極管)。兩者都利用多數(shù)載流子導電機理，它們的極間電容小，工作頻率高。,變?nèi)荻O管(利用PN結(jié)的電容效應)的記憶電容Cj （反偏勢壘電容）與外加反偏電壓U之間呈非線性關(guān)系。變?nèi)荻O管在工作時處于反偏截止狀態(tài)，基本上不消耗能量，噪聲小，功率高。 將它用于振蕩回路中，可以做成電調(diào)諧器（如電視機的電調(diào)高頻頭），也可以構(gòu)成自動調(diào)諧電路等； 變?nèi)莨苋粲糜谡袷幤髦?，可以通過改變電壓來改變振蕩信號的頻率。這種振蕩器稱為壓控振蕩器(VCO)，壓控振蕩器是鎖相環(huán)路的一個重要部件； 微波變?nèi)莨埽ㄎ⒉ǘO管），用作非線性電容變頻、混頻； 還有一種是PIN二極管，由P型、I型和N型三種半導體構(gòu)成，由正向直流電流控制的可調(diào)電阻，做成電可控開關(guān)、限幅器、電衰減器或電調(diào)移相器。,2. 晶體管與場效應管 在高頻中應用的晶體管仍然是雙極晶體管和多種場效應管，這些管子比用于低頻的管子性能更好，在外形結(jié)構(gòu)方面也有所不同。 高頻晶體管有兩大類型： 一類是做小信號放大的高頻小功率管，對它們的主要要求是高增益和低噪聲；另一類為高頻功率放大管，除了增益外，要求其在高頻有較大的輸出功率。,3. 集成電路 用于高頻的集成電路的類型和品種要比用于低頻的集成電路少得多,主要分為通用型和專用型兩種。 通用型 寬帶集成放大器，工作頻率可達一、二百兆赫茲，增益可達五、六十分貝，甚至更高。 用于高頻的晶體管模擬乘法器，工作頻率也可達一百兆赫茲以上。 專用型 集成鎖相環(huán)、集成調(diào)制解調(diào)器、單片接收機及家電專用電路等。,2.2.1 高頻諧振回路,諧振回路由電感線圈和電容組成，當外界授予一定能量，電路參數(shù)滿足一定關(guān)系時，可以在回路中產(chǎn)生電壓和電流的周期振蕩回路。若該電路在某一頻率的交變信號作用下,能在電抗原件上產(chǎn)生最大的電壓或流過最大的電流，即具有諧振特性，故該電路又稱諧振回路。,諧振回路按電路的形式分為：,1.串聯(lián)諧振回路 2.并聯(lián)諧振回路 3.耦合諧振回路,用途：,1.利用他的選頻特性構(gòu)成各種諧振發(fā)大器 2.在自激振蕩器中充當諧振回路 3.在調(diào)制、變頻、解調(diào)充當選頻網(wǎng)絡,1.串聯(lián)諧振回路,下圖是最簡單的串聯(lián)回路。 圖中r是電感線圈L中的電阻， r通常很小，可以忽略，C為電容。,振蕩回路的諧振特性可以從它們的阻抗頻率特性看出來。 當信號角頻率為時，其串聯(lián)阻抗為：,( 2-1 ),串聯(lián)阻抗,回路阻抗的模|Zs|和幅角隨f 變化的曲線分別如下圖所示,|Zs|,串聯(lián)諧振特性曲線,幅角特性曲線,（2-1）,O,當r； 當0時，回路呈感性，|Zs|r； 當0時，感抗與容抗相等，|Zs|最小，并為純電阻r， 我們稱此時發(fā)生了串聯(lián)諧振，且串聯(lián)諧振角頻率0為:,( 2-2 ),電抗特性曲線,若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號U，則發(fā)生串聯(lián)諧振時因阻抗最小，流過電路的電流最大，稱為諧振電流，其值為,在任意頻率下的回路電流I與諧振電流之比（歸一化）為：,( 2-4 ),串聯(lián)諧振回路電流,( 2-3 ),歸一化電流的模為 其中,( 2-6 ),( 2-5 ),Q被稱為回路的品質(zhì)因數(shù)，它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。 根據(jù)式（2-5）畫出相應的曲線如圖所示，稱為諧振曲線。,Q1Q2,由圖可知回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路選擇性越好。,（2-9）,在實際應用時，外加的頻率與回路諧振頻率0之差=-0表示頻率偏離諧振頻率0的程度，稱為失諧。 當與0很接近時，相對失諧,（2-7）,當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時，將回路電流值下降為諧振值的 1/ 21/2時所對應的頻率范圍稱回路的通頻帶，亦稱回路帶寬，通常用B表示。 令上式等于 ，則可以推得=1，從而可得帶寬為,串聯(lián)諧振時電感及電容上的電壓為最大，其值為電阻上電壓值的Q倍，也就是恒壓源的電壓值U的Q倍。 發(fā)生諧振的物理意義是，此時電容和電感中儲存的最大能量相等。,串聯(lián)振蕩回路的相位特性與其輻角特性相反。 在諧振 時回路中的電流、電壓關(guān)系如圖所示。 圖中 與 同相， 和 分別為電感和電容上的電壓。 由圖可知， 和 反相。,O,2.并聯(lián)諧振回路,串聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為低內(nèi)阻的情況或低阻抗電路（恒壓源）。 當頻率不是非常高時，并聯(lián)諧振回路應用最廣。并聯(lián)諧振回路適用于電源內(nèi)阻為高內(nèi)阻（恒流源） 1. 并聯(lián)諧振回路原理 并聯(lián)諧振回路是與串聯(lián)諧振回路對偶的電路，其等效電路見下圖,并聯(lián)回路的阻抗為：,C,L,r,(2-11),當并聯(lián)諧振回路電納部分b0時，回路兩端電壓 與電流 同相，稱為并聯(lián)諧振。并設(shè)并聯(lián)諧振的角頻率為 ，則,式中電導和電納分別為,并聯(lián)諧振角頻率,并聯(lián)回路的阻抗為：,（2-1）,即,可見，諧振時，回路的感抗和容抗近似相等。,當 遠遠小于1（即Q大大于1 ）時，則,通常將這時感抗和容抗的數(shù)值稱為回路的特性阻抗，用字母表示。即：,諧振時，由于電納b=0,總導納y只包含電導g部分,稱為諧振電導,用gp表示,回路的特性阻抗與回路電阻r之比稱為回路的品質(zhì)因數(shù)。即：,并聯(lián)回路的特性阻抗,諧振時，回路兩端的電壓 與信號源電流 同相，,下面我們分析，當電路諧振時，流過電感支路和電容支路的電流與信號源電流 的相位關(guān)系。,其諧振阻抗為,并聯(lián)回路的諧振阻抗,（上式近似條件： 即高Q 值 ),(2-12),(2-14),諧振時，電感支路的電流為：,( 2-17 ),(