第一章高頻電子線路緒論課件

1、高頻電子線路高頻電子線路武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院2016年9月主講：鄭寬磊主講：鄭寬磊電話：電話一章 緒論教 材：熊俊俏主編.高頻電子線路， 人民郵電出版社，2013.8參考教材： 1、Complete wireless design: Cotter W.Sayre（無線通信電路設(shè)計(jì)分析與仿真：郭潔等譯），電子工業(yè)出版社 2、張肅文.高頻電子線路，高等教育出版社 3、曾興雯.高頻電路原理與分析，等教育出版社第一章 緒論主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 高頻電路基礎(chǔ)高頻電路基礎(chǔ)第三章第三章 選頻回路選頻回路第四章第四章 高頻放大電路高頻放大電路第五章第

2、五章 正弦波振蕩器與頻率合成技術(shù)正弦波振蕩器與頻率合成技術(shù)第六章第六章 線性頻譜搬移線性頻譜搬移第七章第七章 角度調(diào)制與解調(diào)角度調(diào)制與解調(diào)第八章第八章 高頻輔助電路高頻輔助電路第九章第九章 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試第一章 緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述1.2無線信道的特性1.3無線電通信系統(tǒng)原理1.4現(xiàn)代無線電通信新技術(shù)1.5本課程的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章 緒論2、高頻電子線路在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中、高頻電子線路在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的位置的位置引子引子：1、高頻電子線路與模擬電子技術(shù)課、高頻電子線路與模擬電子技術(shù)課程的關(guān)系程的關(guān)系3、高頻電子線路的研究?jī)?nèi)容、高頻電子線路的研

3、究?jī)?nèi)容4、高頻電子線路與素質(zhì)培養(yǎng)、高頻電子線路與素質(zhì)培養(yǎng)第一章 緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述古代古代：烽火狼煙、飛鴿傳信、驛馬快遞烽火狼煙、飛鴿傳信、驛馬快遞18371837年莫爾斯發(fā)明了年莫爾斯發(fā)明了電報(bào)電報(bào)，創(chuàng)造了莫爾斯碼，開創(chuàng)了，創(chuàng)造了莫爾斯碼，開創(chuàng)了通信的新紀(jì)元通信的新紀(jì)元18641864年英國(guó)物理學(xué)家年英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋麥克斯韋發(fā)表的發(fā)表的“電磁場(chǎng)的動(dòng)力電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論理論”為無線電發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。為無線電發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。18761876年年貝爾貝爾發(fā)明了發(fā)明了電話電話，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能傳送，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能傳送沿導(dǎo)線傳送。沿導(dǎo)線傳送。18871887年，

4、德國(guó)的年，德國(guó)的赫茲赫茲以卓越的實(shí)驗(yàn)技巧證實(shí)了以卓越的實(shí)驗(yàn)技巧證實(shí)了電磁波電磁波是客觀存在是客觀存在的。的。18951895年年馬可尼馬可尼首次在幾百米的距離實(shí)現(xiàn)電磁波通信，首次在幾百米的距離實(shí)現(xiàn)電磁波通信，19011901年首次完成橫渡大西洋的通信。年首次完成橫渡大西洋的通信。 第一章 緒論1.1無線通信系統(tǒng)概述19041904年，弗萊明發(fā)明電子二極管，標(biāo)志著進(jìn)入年，弗萊明發(fā)明電子二極管，標(biāo)志著進(jìn)入無線電電子無線電電子學(xué)時(shí)代學(xué)時(shí)代 。19061906年年：美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登成功地研制了無線電廣播美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登成功地研制了無線電廣播：19071907年年：美國(guó)物理學(xué)家德福萊斯特發(fā)明了美國(guó)物

5、理學(xué)家德福萊斯特發(fā)明了真空三極管真空三極管，是是電子技術(shù)發(fā)展史上電子技術(shù)發(fā)展史上第一個(gè)重要里程碑第一個(gè)重要里程碑。以此構(gòu)建了無線電以此構(gòu)建了無線電通信重要的功能電路，如放大器、振蕩器、變頻器、調(diào)制通信重要的功能電路，如放大器、振蕩器、變頻器、調(diào)制器、檢波器、波形變換等，加快了無線電通信技術(shù)的發(fā)展。器、檢波器、波形變換等，加快了無線電通信技術(shù)的發(fā)展。19481948年，美國(guó)肖克利等人發(fā)明了晶體三極管年，美國(guó)肖克利等人發(fā)明了晶體三極管, ,是電子技術(shù)發(fā)是電子技術(shù)發(fā)展史上展史上第二個(gè)重要里程碑第二個(gè)重要里程碑。 20 20世紀(jì)世紀(jì)6060年代，中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電年代，中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模

6、集成電 路的不路的不斷涌現(xiàn)，是電子技術(shù)發(fā)展史上斷涌現(xiàn)，是電子技術(shù)發(fā)展史上第三個(gè)重要里程碑第三個(gè)重要里程碑。 第一章 緒論圖1-1 典型無線電通信系統(tǒng)的基本組成信源、調(diào)制器、發(fā)信機(jī)、信道、收信機(jī)、解調(diào)器和信宿七部分1.1無線通信系統(tǒng)概述第一章 緒論1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型(1) 根據(jù)工作頻率工作頻率的不同，分為長(zhǎng)波通信、中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信。如中波廣播為(5351605k)Hz，調(diào)頻廣播為(88108M)Hz，目前載波頻率最高已經(jīng)達(dá)到40GHz。所謂工作頻率，主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。 射頻實(shí)際上就是“高頻”的廣義語，它是指適合

7、無線電發(fā)射和傳播的頻率。 無線通信的一個(gè)發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。1.1無線通信系統(tǒng)概述第一章 緒論1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型(2)根據(jù)信號(hào)傳遞方向信號(hào)傳遞方向，分為單工、半雙工通信和全雙工通信三類。單工方式：只發(fā)射或只接收（如電報(bào)、廣播）半雙工方式：可接收也可發(fā)射，但不能同時(shí)收發(fā)全雙工方式：可同時(shí)接收和發(fā)射1.1無線通信系統(tǒng)概述第一章 緒論(3)根據(jù)調(diào)制方式調(diào)制方式，分為未調(diào)制的基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng)和調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)。 基帶傳輸系統(tǒng)基帶傳輸系統(tǒng)：傳輸距離短，頻帶利用率低，一般應(yīng)用于簡(jiǎn)單的短距離數(shù)據(jù)傳輸。 頻帶傳輸系統(tǒng)頻帶傳輸系統(tǒng)：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相

8、。 調(diào)幅（AM）：如中、短波收音機(jī)的調(diào)制模式； 調(diào)頻（FM）：如調(diào)頻廣播； 調(diào)相（PM）：用于數(shù)字通信 混合調(diào)制：如全電視信號(hào)，其語音信號(hào)采用調(diào)頻方式，圖像信號(hào)采用調(diào)幅方式。1.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型第一章 緒論模擬調(diào)制模擬調(diào)制（Analog Modulation) 調(diào)幅調(diào)幅： AM調(diào)幅（Amplitude Modulation，縮寫為AM) 雙邊帶調(diào)幅(Double sideband AM，縮寫為DSB) 單邊帶調(diào)幅(Single Side Band AM，縮寫為SSB) 殘留單邊帶調(diào)幅(Vestigial Single Side Band A

9、M，縮寫 VSB) 調(diào)角調(diào)角： 調(diào)頻調(diào)頻（Frequency Modulation，縮寫FM) 調(diào)相調(diào)相（Phase Modulation，縮寫PM） 混合調(diào)制混合調(diào)制1.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型第一章 緒論數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制(Digital Modulation) 移相鍵控( Phase Shift Keying，簡(jiǎn)稱PSK) 移頻鍵控( Frequency Shift Keying，簡(jiǎn)稱FSK) 振幅鍵控（Amplitude Shift Keying，簡(jiǎn)稱ASK1.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型第一章 緒論

10、(4)根據(jù)傳輸?shù)南㈩愋蛡鬏數(shù)南㈩愋?，分為模擬通信模擬通信和數(shù)字通信數(shù)字通信，具體的可分為語音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信語音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通多媒體通信信等。 但無論是模擬還是數(shù)字通信系統(tǒng)，其功率放大、發(fā)射和接收端(俗稱射頻前端)仍采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。從電路上看，現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)實(shí)際上是數(shù)?；旌系耐ㄐ畔到y(tǒng)。本書將以模擬通信模擬通信為重點(diǎn)來研究這些基本電路, 認(rèn)識(shí)其規(guī)律。 這些電路和規(guī)律完全可以推廣應(yīng)用到其它類型的通信系統(tǒng)1.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.3 無線電通信系統(tǒng)的類型無線電通信系統(tǒng)的類型第一章 緒論1.1.4 無線通信系統(tǒng)的指標(biāo)無線通信系統(tǒng)的指標(biāo)(1)有效性：“速率”問題，

11、即通信容量。(2)可靠性：“質(zhì)量”問題，失真度、誤碼率和抗干擾能力。(3)保密性：加密處理，如軍用系統(tǒng)、個(gè)人通信系統(tǒng)。(4)標(biāo)準(zhǔn)性：接口、結(jié)構(gòu)及協(xié)議是否合乎國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。無線模擬模擬通信系統(tǒng)：系統(tǒng)頻帶利用率、輸出信噪比無線數(shù)字?jǐn)?shù)字通信系統(tǒng)：誤碼率、傳輸速率 傳輸距離-發(fā)送功率、接收機(jī)的靈敏度、傳輸信道的衰減與干擾、噪聲等。 通信容量：與調(diào)制解調(diào)方式、已調(diào)波信號(hào)的帶寬、信道狀況及復(fù)用方式等有關(guān)。1.1無線通信系統(tǒng)概述第一章 緒論1.2無線信道的特性無線信道：傳輸無線電信號(hào)的媒介，即通常所說的無線電波，是以空間作為傳輸介質(zhì)的信號(hào)傳送通道。無線電傳播方式：地波傳播、空間波傳播和天波傳播。有線信道：

12、雙絞線(如電話線)、同軸電纜(如有線電視網(wǎng)絡(luò))和光纖(光纖通信)等；信道信道：有線信道有線信道和和無線信道無線信道兩大類。兩大類。 第一章 緒論雙線對(duì)電纜（雙絞線電纜）雙線對(duì)電纜（雙絞線電纜）同軸電纜同軸電纜光纖光纖（包括視線中繼、波導(dǎo)管傳輸）（包括視線中繼、波導(dǎo)管傳輸）無線通信無線通信地波地波天波天波地面波地面波空間波空間波有線通信有線通信地球地球電離層電離層空間波空間波地面波地面波天波天波1.2無線信道的特性第一章 緒論第一章 緒論圖1-2 無線電波的主要傳播方式1.2無線信道的特性第一章 緒論1.2.1 1.2.1 無線電頻段的劃分在自由空間中，電磁波以光速傳輸，其頻譜很寬，從低頻(幾H

13、z)到宇宙射線(1025Hz)。按頻率大小來分，依次為宇宙射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線和無線電波。按頻率或波長(zhǎng)對(duì)無線電波進(jìn)行分段，稱為頻段或波段。不同頻段或波段的無線電波，其傳播方式、發(fā)送和接收方法、以及應(yīng)用范圍也是不同的1.2無線信道的特性第一章 緒論波 段 名 稱波 長(zhǎng) 范 圍頻 率 范 圍頻 段 名 稱傳 播 方 式應(yīng)用范圍極長(zhǎng)波107108m330Hz極低頻(ELF)雙線、地波潛艇通信超長(zhǎng)波106107m30300Hz超低頻(SLF)雙線、地波潛艇通信特長(zhǎng)波105106m3003 000Hz特低頻(ULF)雙線、地波礦山勘探、地震甚長(zhǎng)波104105m330kHz甚低頻(VLF)

14、雙線、地波潛艇通信、地球物理勘探1.2無線信道的特性1.2.1 1.2.1 無線電頻段的劃分第一章 緒論長(zhǎng)波(LW)103104m30300kHz低頻(LF)地波遠(yuǎn)距離通信、水上移動(dòng)中波(MW)102103m0.33MHz中頻(MF)地波地波、天波廣播、通信、導(dǎo)航短波(SW)10100m330MHz高頻(HF)天波天波、地波廣播、通信超短波(VSW)110m30300MHz甚高頻(VHF)直線傳直線傳播播、對(duì)流層散射通信、廣播、電視1.2無線信道的特性1.2.1 1.2.1 無線電頻段的劃分第一章 緒論微波分米波(USW)10100cm0.33GHz特高頻(HF)直線傳播、散射傳播藍(lán) 牙 電

15、視廣 播 、 手機(jī)厘米波(SSW)110cm330GHz超高頻(SHF)直線傳播中 繼 和 衛(wèi)星通信毫米波(ESW)110mm30300GHz極高頻(EHF)直線傳播氣象雷達(dá)、射電天文絲米波10.1mm3003 000GHz至高頻直線傳播氣象雷達(dá)、空間通信1.2無線信道的特性1.2.1 1.2.1 無線電頻段的劃分第一章 緒論1.2.2 高頻信道的特點(diǎn)對(duì)流層對(duì)流層：地面上空的（1012）km處，空氣密度大。傳播方式：大氣折射、波導(dǎo)傳播、對(duì)流層散射、多徑傳播、大氣吸收，以及水汽凝結(jié)體和其他大氣微粒的吸收和散射等。傳播范圍：視距傳播、超視距傳播和地-空傳播等；其中，超視距傳播為對(duì)流層散射傳播優(yōu)點(diǎn)：

16、傳輸容量、傳輸性能和可靠度適中，強(qiáng)抗核爆能力。1.2無線信道的特性第一章 緒論平流層：在對(duì)流層的上面，直到大約50km高的這一層；特點(diǎn)：平流層里的空氣稀薄，電磁波直線傳輸，較少受到衰落或干擾，可用作高空信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)天地空一體化綜合信息系統(tǒng)。1.2無線信道的特性1.2.2 高頻信道的特點(diǎn)第一章 緒論電離層：從地面以上大約50km-1 000km；特點(diǎn)：電離層同時(shí)具有吸收和反射無線電波的能力。 中、長(zhǎng)波段中、長(zhǎng)波段的無線電波在白天幾乎全部被電離層吸收 微波段微波段的無線電波，直接穿透電離層射向太空 短波段短波段的無線電波，由電離層反射回地面。缺點(diǎn)：電離層具有多變的特性，其高度、厚度和電子密度等，

17、會(huì)隨晝夜、季節(jié)、緯度的變化而變化，同時(shí)電離層還會(huì)受太陽“黑子”活動(dòng)、太陽表面“耀斑”、紫外線輻射等的騷擾。1.2無線信道的特性1.2.2 高頻信道的特點(diǎn)第一章 緒論1.2.3 移動(dòng)信道的特點(diǎn)移動(dòng)通信頻段：分米波段，即特高頻段，電磁波的傳播方式為直射傳播或反射。缺點(diǎn)：多徑傳輸，其合成信號(hào)幅度表現(xiàn)為快速的起伏變化，形成幅度衰落。 不同的信道時(shí)延，導(dǎo)致接收信號(hào)的波形被展寬，稱為時(shí)延擴(kuò)展，從而導(dǎo)致接收信號(hào)的頻率選擇性衰落。 移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，并由此引起衰落過程的頻率擴(kuò)散，稱為時(shí)間選擇性衰落。 衰落信道分為瑞利信道(Rayleigh Channel)和萊斯信道(Rice Channel)。1

18、.2無線信道的特性第一章 緒論 由天線理論可知，要將無線電信號(hào)有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和電信號(hào)的波長(zhǎng)相比擬。(最佳天線長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的1/4) 原始的非電量信息經(jīng)轉(zhuǎn)換的原始電信號(hào)一般是低頻信號(hào)，波長(zhǎng)很長(zhǎng)。 如音頻頻率為20Hz-20kHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為15-15000km，要制造如此巨大的天線是不現(xiàn)實(shí)的。即使有這樣巨大的天線，由于各發(fā)射臺(tái)均為同一頻段的低頻信號(hào)，在信道中會(huì)互相重疊、干擾，接收機(jī)也無法區(qū)分。1.3無線電通信系統(tǒng)原理無線通信系統(tǒng)為何需要調(diào)制【采用高頻(射頻)】？第一章 緒論 因此，必須采用幾百kHz以上的高頻振蕩高頻振蕩信號(hào)作為載體，將低頻信號(hào)與高頻信號(hào)調(diào)制調(diào)制，然后經(jīng)天線發(fā)射出去

19、。接收端再對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解調(diào)。調(diào)制以后，由于傳送的是高頻振蕩信號(hào)，天線的尺寸就可大大下降。同時(shí)不同的發(fā)射臺(tái)采用不同的高頻振蕩信號(hào)作為載波，頻譜上就互相區(qū)分開了，接收機(jī)才能任意選擇所需電臺(tái)信號(hào)抑制不需要的電臺(tái)和干擾。 射頻頻率越寬，可利用的頻帶寬度就越寬，可容納更多互不干擾的信道，從而實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用頻分復(fù)用或頻分多址頻分多址。1.3無線電通信系統(tǒng)原理第一章 緒論1.3.1 1.3.1 調(diào)制與波形調(diào)制與波形1調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅信號(hào)振幅調(diào)制：利用基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的幅度變化，調(diào)幅波的包絡(luò)(即振幅)是變化的，且與基帶調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致。1.3無線電通信系統(tǒng)原理所謂調(diào)制調(diào)制, 就是用調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)去控制

20、高頻載波的參數(shù)高頻載波的參數(shù), 使載波信號(hào)的某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)（振幅、頻率或相位）按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。第一章 緒論1.3.1 1.3.1 調(diào)制與波形調(diào)制與波形2調(diào)頻信號(hào)調(diào)頻信號(hào)頻率調(diào)制，是利用基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的頻率變化，因此其瞬時(shí)頻率按照基帶調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化1.3無線電通信系統(tǒng)原理第一章 緒論3調(diào)調(diào)相相信號(hào)信號(hào)相位調(diào)制，是利用基帶信號(hào)控制載波信號(hào)的相位變化，其瞬時(shí)相位與基帶調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致。1.3無線電通信系統(tǒng)原理1.3.1 1.3.1 調(diào)制與波形調(diào)制與波形第一章 緒論1.3無線電通信系統(tǒng)原理高頻電路中的幾種信號(hào)高頻電路中的幾種信號(hào)基帶基帶( (消息消息) )信號(hào)信號(hào)：就是

21、沒有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào), 也稱調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào),如語音、圖像等。高頻載波信號(hào)高頻載波信號(hào)：一種高頻正弦信號(hào)。已調(diào)波已調(diào)波：已被基帶信號(hào)調(diào)制過的高頻載波信號(hào)第一章 緒論1.3.2 1.3.2 無線電信號(hào)的無線電信號(hào)的發(fā)送發(fā)送圖1-6 調(diào)幅發(fā)射機(jī)的框圖1.3無線電通信系統(tǒng)原理第一章 緒論1.3.3 1.3.3 無線電信號(hào)的無線電信號(hào)的接收接收?qǐng)D1-7 超外差式接收機(jī)框圖1.3無線電通信系統(tǒng)原理第一章 緒論接收設(shè)備接收設(shè)備由：天線、高頻放大器、混頻器、中頻放大器、解調(diào)器、音頻放大器、揚(yáng)聲器等組成。由天線接收來的信號(hào)，經(jīng)放大后，再經(jīng)過混頻器，變成一中頻已調(diào)波，然后檢波，恢復(fù)出原來的信息，經(jīng)低頻功率放大后，推動(dòng)揚(yáng)聲器。無線無線廣播通信系統(tǒng)的基本組成框圖廣播通信系統(tǒng)的基本組成框圖音頻放大調(diào)