無線通信基礎(chǔ)知識

項目式課程多媒體教案無線電通信測試與設(shè)計1.這門課主要研究什么問題？主要研究信息傳輸系統(tǒng)的基本概念、傳輸發(fā)送與接收設(shè)備基本電路以及電路的基本分析方法---通信電子電路射頻卡考勤機主要研究信息傳輸系統(tǒng)的基本概念、傳輸發(fā)送設(shè)備基本電路與基本分析方法---通信電子電路信息AB傳輸媒質(zhì)信號源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備終端裝置基帶信號已調(diào)信號已調(diào)信號基帶信號信息源經(jīng)傳送的信息（如聲音或圖像）所轉(zhuǎn)換成的微弱電信號；即必須有換能器（如話筒或攝12像機）；發(fā)送設(shè)備將微弱電信號變成適合于信道傳輸?shù)男盘枺缓笏腿胄诺?；傳輸媒質(zhì)信號傳輸?shù)耐ǖ?；?dǎo)線或光纖或傳輸電磁波的自由空間；接收設(shè)備把有用信號從眾多信號和噪聲中選取出來；終端裝置將接收設(shè)備接收到的電信號再還原成原始信息：如揚聲器或顯像管等；各部分功能：信息AB1876年貝爾發(fā)明了電話1895年意大利人馬克尼和俄國人波波夫利用電磁波實現(xiàn)了無線通信。1837年莫爾斯電碼本課程的特點:

在本教材中，闡述的各部分高頻電子線路，除高頻小信號諧振放大器外，都是非線性電路。相對于線性電子線路的分析方法來說，非線性電子線路的分析方法更加復(fù)雜。數(shù)學(xué)知識要求較多2.輸出信號和輸入信號頻率不同；輸出信號中有新頻率成分產(chǎn)生；設(shè)備電路fifo線性電路fi,fi非線性電路fi,fi,f1,f2,f3……1.從它處理的信號頻率角度來說，發(fā)送和接收的信號，是高頻信號；傳輸媒質(zhì)信息源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備終端裝置圖1.1通信系統(tǒng)基本組成框圖通信系統(tǒng)基本組成框圖建立系統(tǒng)的概念課程主要內(nèi)容直接發(fā)送無線電波的問題：由天線理論可知，要將無線電信號有效地發(fā)射，天線的尺寸必須和電信號的波長為同一數(shù)量級(1/10-1)。原始電信號一般是低頻信號，如語音信號頻率范圍f:20Hz-20KHzλ=c/f

λ20kHz=15Kmλ20Hz=1.5X104Km

波長很長。要制造出相應(yīng)的巨大天線是不現(xiàn)實的。另外，若各發(fā)射臺發(fā)射的均為同一頻段的低頻信號，信道中會互相重疊、干擾，接收設(shè)備也無法接收信號。解決方法：調(diào)制（1）調(diào)制（為什么要調(diào)制？）1、無線電信號發(fā)送原理和發(fā)送設(shè)備的基本組成調(diào)制的概念低頻信號加載高頻振蕩信號調(diào)制信號載波信號uΩ=UΩmcosΩtuC==UCmcos(ωct+φ0)uC=UCmcos(ωct+φ0)調(diào)幅調(diào)相調(diào)頻例:調(diào)幅已調(diào)波調(diào)頻已調(diào)波調(diào)制的好處：采用調(diào)制方式以后，由于傳送的是高頻振蕩信號，所需天線尺寸便可大大下降。同時，不同的發(fā)射臺可以采用不同頻率的高頻振蕩信號作為載波，這樣在頻譜上就可以互相區(qū)分開了。傳輸媒質(zhì)信號源發(fā)送設(shè)備接收設(shè)備終端裝置圖1.49通信系統(tǒng)基本組成框圖基帶信號已調(diào)信號已調(diào)信號基帶信號振蕩器高頻放大器倍頻器高頻功放及調(diào)制話筒調(diào)制信號放大器（2）無線電發(fā)送設(shè)備的組成發(fā)送設(shè)備各部分功能高頻振蕩器：產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的高頻信號即載波；高放或倍頻器：放大載波信號，如果頻率不夠高，應(yīng)通過倍頻器使之達到所要求的頻率，由多級諧振器組成；調(diào)制器：將調(diào)制信號裝載到載波信號上，產(chǎn)生已調(diào)波；高頻功放：將已調(diào)波進行功率放大，獲得足夠的發(fā)射功率；通過天線發(fā)射出去；話筒：將聲音變成微弱的電信號；低放：將微弱電信號進行放大；檢波：對調(diào)幅波的解調(diào)；Detection（1）解調(diào)從高頻已調(diào)波信號中“取出”調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)；根據(jù)已調(diào)波的不同分為：鑒頻：對調(diào)頻波的解調(diào)；FrequencyDetection鑒相：對調(diào)相波的解調(diào)；PhaseDetection2、無線電信號接收原理和接收設(shè)備的基本組成（2）無線電接收機的組成框圖本機振蕩器高頻放大器混頻器中頻放大器振幅檢波器低頻放大器超外差式無線電接收機的框圖接收設(shè)備各部分功能高頻放大器：從天線接收到的信號中選擇出所需的信號并放大；得到頻率為fs的高頻調(diào)幅波；本地振蕩器用來產(chǎn)生fL=fc±fI的高頻等幅振蕩信號?；祛l器將其與本地振蕩器提供的頻率為fL的信號混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號。中頻放大器是中心頻率fI固定的放大器，進一步濾除無用信號。檢波器(解調(diào)器)將得到的中頻調(diào)制信號變換為原基帶信號，再經(jīng)低頻或視頻放大器放大后從揚聲器或顯象管輸出。接收設(shè)備的第一級是高頻放大器。由于由發(fā)送設(shè)備發(fā)出的信號經(jīng)過長距離的傳播，受到很大的衰減，能量受到很大的損失，同時還受到傳輸過程中來自各方面的干擾和噪聲。當?shù)竭_接收設(shè)備時，信號是很微弱的，因而需要經(jīng)過放大器的放大，并且，高頻放大器的窄帶特性同時濾除一部分帶外的噪聲和干擾。高頻放大器的輸出是載頻為fc的已調(diào)信號，經(jīng)過混頻器，接收過程：與本地振蕩器提供的頻率為fL的信號混頻，產(chǎn)生頻率為fI的中頻信號。中頻信號經(jīng)中頻放大器放大，送到解調(diào)器，恢復(fù)原基帶信號，再經(jīng)低頻放大器放大后輸出。高頻放大器、中頻放大器都是小信號諧振放大器，功率放大器是諧振功率放大器，調(diào)制器和解調(diào)器進行幅度調(diào)制、角度調(diào)制和它們的解調(diào)。上述電路以及振蕩器、混頻器都是本課程所討論的重點。傳輸媒體——電磁波譜不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同,傳播的能力和方式也不同,因而它們的分析方法和應(yīng)用范圍也不同。無線電波只是一種波長比較長的電磁波,占據(jù)的頻率范圍很廣。

1.2無線電波波段劃分10kHz到103GHz范圍內(nèi)的電磁波稱為無線電波電信號的傳播方式無線電信號在空間以電磁波的形式進行傳播。按照電磁波發(fā)射天線到接受天線的傳播途徑不同，可分為兩大類：地波；天波。地波又分為兩種傳播形式：一種是地面波，地面波沿地面?zhèn)鞑?，；另一種是空間波，空間波在較高的發(fā)射天線與較高的接收天線之間的空中進行直射波傳播或從發(fā)射天線經(jīng)過體面反射到達接受天線。天波是指經(jīng)過離地面100～500km的電離層反射電磁波到接收點的無線電波。●電磁波傳播方式無線電波的波段劃分表波段名稱波長范圍頻率范圍波段名稱傳播方式應(yīng)用場合長波波段(LW)1000～10000m30～300KHz低頻(LF)地波遠距離通信中波波段(MW)100～1000m300～3000KHz中頻(MF)地波，天波廣播，通信，導(dǎo)航短波波段(SW)10～100m3～30MHz高頻(HF)天波，地波廣播，中距離通信超短波波段(VSW)1～10m30～300MHz甚高頻(VHF)直線傳播對流層散射移動通信，電視廣播，調(diào)頻廣播，雷達導(dǎo)，航等分米波波段(USW)10～100cm300～3000MHz超高頻(UHF)直線傳播散射傳播通信，中繼通信，衛(wèi)星通信，電視廣播，雷達厘米波波段(SSW)1～10cm3～30GHz特高頻(SHF)直線傳播中繼通信，雷達，衛(wèi)星通信毫米波波段(ESW)1～10mm30～300GHz極高頻(EHF)直線傳播微波通信，雷達波段名稱波長范圍頻率范圍頻段名稱主要傳播方式和用途長波(LW）103~104m30~300KHz低頻（ＬＦ）

越洋通信遠距離導(dǎo)航中波

(MW)102~103m300KHz~3M中頻（ＭＦ）船用通信、飛行通信

廣播、業(yè)余無線電通信、短波(SW)１０~１００Ｍ3~3０M高頻（HＦ）

廣播、通信超短波(VSW)

１~１０m30~300M甚高頻（ＶHＦ）

電視廣播、調(diào)頻廣播、雷達微波分米波(USW)１０~１００cm300MHz~3G特高頻（ＵＨＦ）通信、中繼與衛(wèi)星通信、電視廣播、雷達厘米波(SSW)１~１０cm

3~3０G

超高頻（ＳＨＦ）

中繼與衛(wèi)星通信、雷達毫米波(ESW)1

~10mm

30~300G

極高頻（ＥＨＦ）

微波通信、雷達５50－１６０5KHZ中波２－２４M短波88-108M超短波1.3射頻電路設(shè)計中的問題當頻率較高時，分布參數(shù)的影響不能忽略。1.分布參數(shù)的影響2.趨膚效應(yīng)的影響交變電流通過導(dǎo)體時，由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻，愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應(yīng)”。我們一般用趨膚深度來表示趨膚效應(yīng)的程度為工作頻率，為導(dǎo)體的導(dǎo)磁率，為導(dǎo)體的電導(dǎo)率。f1.4射頻中的元器件

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(luò)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,但要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。1.電阻一個實際的電阻器,在低頻時主要表現(xiàn)為電阻特性；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；其高頻時的等效電路為：CR為分布電容,LR為引線電感,R為電阻2.電容

由介質(zhì)隔開的兩導(dǎo)體即構(gòu)成電容。一個電容器的等效電路卻如圖（a）所示。理想電容器的阻抗1/(jωC),如圖（b）虛線所示,其中,f為工作頻率,ω=2πf。3.電感電感量是電感線圈的主要參數(shù)，是表示線圈產(chǎn)生自感應(yīng)能力的一個物理量；電感線圈除表現(xiàn)出電感L的特性以外，還具有一定的損耗電阻r和分布電容C；隨著工作頻率的升高，線圈的有效電阻將會明顯變大；高頻時其分布電容的影響也很大；其高頻等效電路為：1.5射頻電路中常用概念1.5.1射頻電路常用名詞解釋1.頻帶寬度概念2.分貝的概念3.品質(zhì)因素

元件的Q值愈大,用該元件組成的電路或網(wǎng)絡(luò)的選擇性愈佳。1.5.2信號頻譜的概念及應(yīng)用時域的分析主要是研究被測信號和系統(tǒng)在時域內(nèi)的幅度和時間特性。頻域分析主要是研究被測信號和系統(tǒng)在頻域內(nèi)的幅頻特性和相頻特性。將幅頻特性和相頻特性繪制成譜線，統(tǒng)稱為信號的頻譜圖。最簡單的市電信號脈沖信號矩齒波信號常用標準電信號:矩齒波信號常用作為掃描信號等，在視頻顯示系統(tǒng)等設(shè)備中有著較為廣泛的應(yīng)用

語音信號:“你好”波形空氣壓力隨時間變化的函數(shù)靜止的單色圖像信號亮度隨空間位置變化的信號f(x,y)靜止的彩色圖像信號三基色隨空間位置變化的信號正弦信號時域波形如圖1.2所示。該信號的數(shù)學(xué)表達式為：式中，Um為正弦波正向或負向最大值，稱為振幅，單位為V（伏特）；

=2f為角頻率，單位為rad/s（弧度/秒）；f=1/T為頻率，單位為Hz（赫茲）；T=t1t0為周期，單位為s（秒）；

0=t0為初相位，單位為rad（弧度）。由于余弦信號與正弦信號的波形變化規(guī)律完全一致，因此常把正弦和余弦信號均稱為正弦波信號。正弦信號是最常用的信號之一。常用作為標準信號源、系統(tǒng)與設(shè)備的標準測試信號或信息傳輸?shù)妮d體。時域特性研究鋸齒波信號波形頻譜:

是指信號在各個頻率上的幅度分布情況，即幅度等某些特征量隨頻率變化的關(guān)系。用頻譜圖表示。振幅頻譜圖相位頻譜圖信號頻譜的概念無線電信號的頻域特性頻域分析優(yōu)勢:信號頻域特性的測試---1正弦信號頻譜特性的測試---2方波信號頻譜特性的測試做一做測試程序：①由DDS函數(shù)信號發(fā)生器輸出一正弦信號ui，其面板顯示振幅Uim=50mV、頻率fi=1.0MHz。②保持步驟①，用頻譜儀（或利用數(shù)字存儲示波器的FFT功能，下同）直接測量ui的頻譜，從頻譜圖中讀出其頻率、相位和振幅，與DDS函數(shù)信號發(fā)生器面板顯示值比較并記錄：譜線的數(shù)量為_____條，對應(yīng)的fi=×106

Hz，0=

（度），Uim=

V結(jié)論：實際上，單一正弦信號的譜線________（只有1條，有2條，有很多條，由無數(shù)條。)③保持步驟②，畫出ui頻譜（譜線）圖（以頻率為橫坐標，幅度為縱坐標），并寫出其復(fù)指數(shù)形式的數(shù)學(xué)表達式。ui(t)=

VFFT測量點擊點擊點擊可以使用光標隨意測量測試程序：①由DDS函數(shù)信號發(fā)生器輸出一方波信號ui，其面板顯示振幅Uim=50mV、頻率fi

=2.0MHz。②保持步驟①，用頻譜儀直接測量ui的頻譜，從頻譜圖中讀出其頻率和振幅，與DDS函數(shù)信號發(fā)生器面板顯示值比較并記錄：第1條譜線所對應(yīng)的頻率稱為基波，其f1=×106

Hz，U1m=

V第2條譜線所對應(yīng)的f2=×106

Hz，U2m=

V，稱為_____次諧波。第3條譜線所對應(yīng)的f3=×106

Hz，U3m=

V，稱為_____次諧波。第4條譜線所對應(yīng)的f4=×106Hz，U4m=

V，稱為_____次諧波。第5條譜線所對應(yīng)的f5=×106

Hz，U5m=

V，稱為_____次諧波?！Y(jié)論：實際上，方波信號的譜線________（只有1條，有2條，有很多條，有無數(shù)條），其頻帶寬度（取5條譜線時）B=________MHz。③保持步驟②，畫出ui頻譜圖（畫10條）。1、正弦信號的頻譜特性所謂頻譜，是指信號在各個頻率上的幅度分布或所包含的頻率成分及其幅度大小的分布情況。頻譜圖則是頻譜的圖形表示。正弦信號圖1.19正弦信號頻譜圖由圖1.19可見，正弦信號的頻譜結(jié)構(gòu)最為簡單，只有一條譜線,其信號帶寬為0。U=UmΨ0

矩形波信號諧波的合成過程示意圖演示有限項逼近Gibbsphenomenon非正弦周期信號的傅里葉級數(shù)分解傅立葉:法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、三角級數(shù)創(chuàng)始人

周期信號可表示為諧波關(guān)系的正弦信號的加權(quán)和。非周期信號可用正弦信號的加權(quán)積分表示。傅立葉的兩個主要貢獻——

Poisson、Guass等人把這一成果應(yīng)用到電學(xué)中去復(fù)雜的波形怎么辦?非正弦周期信號的分解:tuitui圖:非正弦周期信號1.三角形式2.復(fù)指數(shù)形式1、非正弦周期信號的傅里葉級數(shù)分解---三角形式周期信號表達式:周期為T的信號，在滿足狄里赫利條件時，其三角形式的傅里葉級數(shù)展開式為（1-1）P22狄里赫利條件（1）在任何周期內(nèi)，絕對可積，即；（2）在任何有限區(qū)間內(nèi)，具有有限個極大值和極小值；（3）在任何有限區(qū)間內(nèi)，連續(xù)，或只具有有限個第一類間斷點。（1-1）余弦分量幅度正弦分量幅度直流分量其中：基波角頻率

FundamentalFrequency傅里葉級數(shù)三角形式:注意:非正弦周期電流、電壓信號分解成傅里葉級數(shù)的關(guān)鍵在于求出系數(shù)a0、an、bn，可以利用函數(shù)的某種對稱性判斷它包含哪些諧波分量及不包含哪些諧波分量，可使系數(shù)的確定簡化，給計算和分析將帶來很大的方便。如以下幾種周期函數(shù)值得注意：

x(t)為偶函數(shù),波形對稱于縱軸，如圖X(t)=X(-t)(2))x(t)為奇函數(shù)波形對稱于原點,如圖x(t)=-x(t)

即偶函數(shù)的三角形式傅里葉級數(shù)中不含正弦量X(t)為偶函數(shù):X(t)為奇函數(shù)在奇函數(shù)的傅里葉級數(shù)中不會含有直流與余弦分量，只可能包含正弦分量。練習(xí)1:求矩形波信號的頻譜特性例:矩形波（方波）波形。現(xiàn)求其傅里葉級數(shù)展開式。

奇函數(shù)，奇諧函數(shù)平均直流分量周期信號的頻譜特點:①離散性——頻譜是離散的而不是連續(xù)的，每根譜線代表一個諧波分量。這種頻譜稱為離散頻譜；②諧波性——譜線只能出現(xiàn)在基波角頻率1的整數(shù)倍上；③收斂性——幅度譜的譜線幅度隨著頻率的增加而逐漸衰減到零。從一些具體信號得出的，但許多周期性信號的頻譜都具有這樣的特點。三角形式的傅立葉級數(shù)的另一種形式:余弦形式n次諧波分量基波分量。bnanΨancosnω1t+bnsinnω1t=Ancos(ω1t+Ψ)cos(а+β)=cosаcosβ-sinаsinβ=cos(-а)cosβ+sin(-а)sinβ解:

化成余弦形式：??+++++++=3132121110)3cos()2cos()cos()(tAtAtAatxjwjwjw試畫出信號f（t）的頻譜。

練習(xí)2：2.周期信號的復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)可以表示為指數(shù)形式令（1.5.2）

式（1.5.2）稱為周期信號的復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)，它表明任意周期信號可分解為許多不同頻率的復(fù)指數(shù)信號（）之和。復(fù)數(shù)量為傅里葉復(fù)系數(shù)，也簡稱為傅里葉系數(shù)，其模為相角為。將和的計算式代入后可得傅里葉級數(shù)的復(fù)系數(shù)的公式

可見也是n（或）的函數(shù)，它與和的關(guān)系如下：是的偶函數(shù)，是的奇函數(shù)。

2、正弦信號的復(fù)指數(shù)表示形式UmtU1m/2U1m/2w1-w1ψ0tw1ψ-w1-ψ0Aejωt同一個信號，既可以展開成三角形式的傅里葉級數(shù)，又可展開成復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)。前者是實數(shù)形式的傅里葉級數(shù)，是將周期信號表示為直流分量和一系列諧波分量之和。后者為復(fù)數(shù)形式的傅里葉級數(shù)，是將周期信號表示為直流分量和一系列虛指數(shù)函數(shù)之和。復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)中有負頻率項，這只是數(shù)學(xué)運算的結(jié)果，并不表示真正存在負頻率分量，負頻率項與相應(yīng)的正頻率項合起來才代表一個頻率分量。結(jié)論:（1-3）

總結(jié):例：求復(fù)指數(shù)形式的傅里葉級數(shù)如圖1.23所示為周期矩形脈沖信號,其幅度為A,脈沖寬度為，周期為T

在長度為T的區(qū)間

上可表示為圖1.23周期矩形脈沖可求得其傅里葉復(fù)系數(shù)：2T)(Sa1twtnA=twn22sin11twtnTA×=2sin211twwnTnA=)(122111wtwtweejnTAjnjn--×=-td1221twtAeTtjn=--òd)(1221wtetxTXTTtjnn=--ò-------------------稱為取樣函數(shù)，波形如圖所示。取樣函數(shù)在通信中應(yīng)用很多，是一個重要的函數(shù)。當時圖1.24取樣函數(shù)可寫出該周期矩形脈沖信號的復(fù)指數(shù)形式傅里葉級數(shù)展開式為令求得P28第一個零點圖1.25周期矩形脈沖信號的頻譜圖零點周期矩形脈沖信號頻譜圖特點令圖1.25周期矩形脈沖信號的頻譜圖零點1.譜線是離散的2.在頻譜圖中還可以看出，隨著頻率的增高，各分量的幅度逐漸趨于零。周期矩形脈沖信號的能量主要集中在第一個零點以內(nèi)，那些次數(shù)較高的頻率分量實際上可以忽略不計。在允許一定失真的條件下，只需傳送頻率較低的那些分量就夠了。通常把這段頻率范圍稱為周期矩形脈沖信號的頻帶寬度或帶寬，記做P30討論：周期T、脈寬對頻譜的影響T一定，變化，變小。結(jié)論：矩形脈沖的頻帶寬度與脈沖寬度成反比。展縮特性

Xn

Xn

第一零點位置變大，幅度變小,ω1不變,譜線間隔不變，譜線數(shù)量增加了。信號帶寬變寬。

Xn

Xn

非周期信號的頻譜特性---傅立葉