第一章高頻電子線路緒論

《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：鄭寬磊電話材：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、Completewirelessdesign:CotterW.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，等教育出版社主要內(nèi)容第一章緒論第二章高頻電路基礎(chǔ)第三章選頻回路第四章高頻放大電路第五章正弦波振蕩器與頻率合成技術(shù)第六章線性頻譜搬移第七章角度調(diào)制與解調(diào)第八章高頻輔助電路第九章無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試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2、高頻電子線路在專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中的位置引子：1、高頻電子線路與模擬電子技術(shù)課程的關(guān)系3、高頻電子線路的研究內(nèi)容4、高頻電子線路與素質(zhì)培養(yǎng)1.1無線通信系統(tǒng)概述1.1.1無線通信技術(shù)的發(fā)展歷程古代：烽火狼煙、飛鴿傳信、驛馬快遞1837年莫爾斯發(fā)明了電報(bào)，創(chuàng)造了莫爾斯碼，開創(chuàng)了通信的新紀(jì)元1864年英國物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表的“電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論”為無線電發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1876年貝爾發(fā)明了電話，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能傳送沿導(dǎo)線傳送。1887年，德國的赫茲以卓越的實(shí)驗(yàn)技巧證實(shí)了電磁波是客觀存在的。1895年馬可尼首次在幾百米的距離實(shí)現(xiàn)電磁波通信，1901年首次完成橫渡大西洋的通信。

1.1無線通信系統(tǒng)概述1904年，弗萊明發(fā)明電子二極管，標(biāo)志著進(jìn)入無線電電子學(xué)時(shí)代。1906年：美國物理學(xué)家費(fèi)森登成功地研制了無線電廣播：1907年：美國物理學(xué)家德福萊斯特發(fā)明了真空三極管，是電子技術(shù)發(fā)展史上第一個(gè)重要里程碑。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)制器、檢波器、波形變換等，加快了無線電通信技術(shù)的發(fā)展。1948年，美國肖克利等人發(fā)明了晶體三極管,是電子技術(shù)發(fā)展史上第二個(gè)重要里程碑。20世紀(jì)60年代，中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路的不斷涌現(xiàn)，是電子技術(shù)發(fā)展史上第三個(gè)重要里程碑。1.1.2無線電通信系統(tǒng)的組成圖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1.1.3無線電通信系統(tǒng)的類型(1)根據(jù)工作頻率的不同，分為長波通信、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(535～1605k)Hz，調(diào)頻廣播為(88～108M)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1.1.3無線電通信系統(tǒng)的類型(2)根據(jù)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(3)根據(jù)調(diào)制方式，分為未調(diào)制的基帶傳輸系統(tǒng)和調(diào)制的頻帶傳輸系統(tǒng)。

基帶傳輸系統(tǒng)：傳輸距離短，頻帶利用率低，一般應(yīng)用于簡單的短距離數(shù)據(jù)傳輸。

頻帶傳輸系統(tǒng)：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。

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▲模擬調(diào)制（AnalogModulation)

●調(diào)幅：

AM調(diào)幅（AmplitudeModulation，縮寫為AM)

雙邊帶調(diào)幅(DoublesidebandAM，縮寫為DSB)

單邊帶調(diào)幅(SingleSideBandAM，縮寫為SSB)

殘留單邊帶調(diào)幅(VestigialSingleSideBandAM，縮寫VSB)

●調(diào)角：

調(diào)頻（FrequencyModulation，縮寫FM)

調(diào)相（PhaseModulation，縮寫PM）

●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▲數(shù)字調(diào)制(DigitalModulation)

●移相鍵控(PhaseShiftKeying，簡稱PSK)

●移頻鍵控(FrequencyShiftKeying，簡稱FSK)

●振幅鍵控（AmplitudeShiftKeying，簡稱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(4)根據(jù)傳輸?shù)南㈩愋?，分為模擬通信和數(shù)字通信，具體的可分為語音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

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1.1.4無線通信系統(tǒng)的指標(biāo)(1)有效性：“速率”問題，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)議是否合乎國家、國際標(biāo)準(zhǔn)。無線模擬通信系統(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：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：有線信道和無線信道兩大類。

雙線對(duì)電纜（雙絞線電纜）同軸電纜光纖（包括視線中繼、波導(dǎo)管傳輸）無線通信地波天波地面波空間波有線通信地球電離層空間波地面波天波1.2無線信道的特性圖1-2無線電波的主要傳播方式1.2無線信道的特性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Hz)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無線信道的特性波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱傳播方式應(yīng)用范圍極長波107～108m3～30Hz極低頻(ELF)雙線、地波潛艇通信超長波106～107m30～300Hz超低頻(SLF)雙線、地波潛艇通信特長波105～106m300～3

000Hz特低頻(ULF)雙線、地波礦山勘探、地震甚長波104～105m3～30kHz甚低頻(VLF)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無線電頻段的劃分長波(LW)103～104m30～300kHz低頻(LF)地波遠(yuǎn)距離通信、水上移動(dòng)中波(MW)102～103m0.3～3MHz中頻(MF)地波、天波廣播、通信、導(dǎo)航短波(SW)10～100m3～30MHz高頻(HF)天波、地波廣播、通信超短波(VSW)1～10m30～300MHz甚高頻(VHF)直線傳播、對(duì)流層散射通信、廣播、電視1.2無線信道的特性1.2.1無線電頻段的劃分微波分米波(USW)10～100cm0.3～3GHz特高頻(ΜHF)直線傳播、散射傳播藍(lán)牙電視廣播、手機(jī)厘米波(SSW)1～10cm3～30GHz超高頻(SHF)直線傳播中繼和衛(wèi)星通信毫米波(ESW)1～10mm30～300GHz極高頻(EHF)直線傳播氣象雷達(dá)、射電天文絲米波1～0.1mm300～3

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無線電頻段的劃分1.2.2高頻信道的特點(diǎn)對(duì)流層：地面上空的（10～12）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)：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)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、長波段的無線電波在白天幾乎全部被電離層吸收

微波段的無線電波，直接穿透電離層射向太空

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，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)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(RayleighChannel)和萊斯信道(RiceChannel)。1.2無線信道的特性

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)的波長相比擬。(最佳天線長度為波長的1/4λ)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)，波長很長。如音頻頻率為20Hz-20kHz，對(duì)應(yīng)波長為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)】？？

因此，必須采用幾百kHz以上的高頻振蕩信號(hào)作為載體，將低頻信號(hào)與高頻信號(hào)調(diào)制，然后經(jīng)天線發(fā)射出去。接收端再對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(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)用或頻分多址。1.3無線電通信系統(tǒng)原理1.3.1調(diào)制與波形1．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,就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波的參數(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。1.3.1調(diào)制與波形2．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3．調(diào)相信號(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調(diào)制與波形1.3無線電通信系統(tǒng)原理高頻電路中的幾種信號(hào)▲基帶(消息)信號(hào)：就是沒有進(jìn)行調(diào)制之前的原始信號(hào),也稱調(diào)制信號(hào),如語音、圖像等。▲高頻載波信號(hào)：一種高頻正弦信號(hào)。▲已調(diào)波：已被基帶信號(hào)調(diào)制過的高頻載波信號(hào)1.3.2無線電信號(hào)的發(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1.3.3無線電信號(hào)的接收?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。無線廣播通信系統(tǒng)的基本組成框圖音頻放大調(diào)制器變頻器激勵(lì)放大輸出放大載波振蕩器音頻放大器解調(diào)