高頻電子線路（第五版）緒論

第一章緒論1.1信息技術(shù)1.2通信系統(tǒng)1.3信號1.4帶寬和信息容量

1.1-信息技術(shù)

信息技術(shù)概括起來包括兩類:信息處理技術(shù)與信息傳輸技術(shù)。信息是一個抽象的概念。信息的具體形式有:語言、文字、符號、音樂、圖形、圖像和數(shù)據(jù)。將表示聲音和圖像等的物理信號,經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,就成為我們處理的對象。人們從這些信號中獲取信息。

通信的任務(wù)是傳遞信息,即將經(jīng)過處理的信息從一個地方傳遞到另一個地方。對于信息傳輸最主要的要求就是傳輸?shù)目煽啃院陀行?。信息處理的目的就是更有效、更可靠地傳遞信息。傳遞信息可以通過有線方式,也可以通過無線方式。通信作為無線電技術(shù)最早的應(yīng)用,其系統(tǒng)組成和工作過程很典型地反映了無線電技術(shù)的基本問題。通信技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化也充分反映了無線電技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代化。

1.2通信系統(tǒng)

一切能完成信息傳輸任務(wù)的系統(tǒng)都可以稱為通信系統(tǒng)。高頻電路是通信系統(tǒng),是無線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ),是無線通信設(shè)備的重要組成部分。通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是從一個地方向另一個地方傳送信息。

1.2.1-無線通信系統(tǒng)的組成

了解通信系統(tǒng)的構(gòu)成,有利于掌握通信系統(tǒng)的基本原理及通信電子線路的組成原理。通信系統(tǒng)的核心部分是發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。不同的通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備組成不完全相同,但其基本結(jié)構(gòu)有相似之處。通信系統(tǒng)通常分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng),我們常見的無線通信系統(tǒng)有廣播通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)等。一個完整的通信系統(tǒng)基本組成框圖如圖1.1所示。圖1.1-通信系統(tǒng)基本組成框圖

1.2.2發(fā)射系統(tǒng)

信源是指需要傳送的原始非電物理量信息源,如語音、音樂、圖像、文字等。信源經(jīng)輸入變換器后轉(zhuǎn)換成電信號。

輸入變換器的主要任務(wù)是將要傳遞的語音、音樂、圖像、文字等信息變換為電信號,該電信號包含了原始消息的全部信息(允許存在一定的誤差,或者說信息損失)。這類信號的頻率一般比較低,稱為“基帶信號”。輸入變換器輸出的基帶信號作為通信系統(tǒng)的信號源?；鶐盘柌灰欢ㄟm合在信道上直接傳輸,可將其送入發(fā)送設(shè)備,變換成適合信道傳輸?shù)男盘柡笤偎腿胄诺馈?/p>

發(fā)送設(shè)備主要有兩大任務(wù):調(diào)制與放大。

調(diào)制就是將基帶信號變換成適合信道傳輸?shù)母哳l信號。在連續(xù)波調(diào)制中,是指用原始電信號(調(diào)制信號)去控制高頻振蕩信號(載波信號)的某一參數(shù),使之隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。經(jīng)過調(diào)制的高頻信號稱為已調(diào)信號。無線通信發(fā)送設(shè)備的任務(wù)就是將基帶信號變換成適合在空間信道傳輸?shù)母哳l信號。圖1.2所示為無線通信發(fā)送設(shè)備組成框圖。圖1.2無線通信發(fā)送設(shè)備

1.2.3接收系統(tǒng)

接收設(shè)備主要有三大任務(wù):選頻、放大、解調(diào)。接收設(shè)備將信道傳送過來的已調(diào)信號從眾多信號和噪聲中選取出來,并對其進行處理,以恢復(fù)出與發(fā)送端一致的基帶信號。圖1.3所示是通信系統(tǒng)中調(diào)幅式無線電接收設(shè)備的組成框圖。圖1.3無線通信接收設(shè)備

1.2.4信道

信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?也就是傳輸媒介,不同的信道有不同的傳輸特性。信道包括有線信道和無線信道。有線信道有架空明線、同軸電纜、波導(dǎo)管和光纜等,無線信道主要第一章緒論3有大氣層、海水或外層空間等。無線電波在空間傳播的性能與大氣結(jié)構(gòu)、高空電離層結(jié)構(gòu)、大地的衰減以及無線電波的頻率、傳播路徑等因素密切相關(guān),因此,不同頻段無線電波的傳播路徑及其受上述各種因素的影響程度也不同。

無線電波在空間的傳播速率與光速相同,約為3×108m/s。無線電波的波長、頻率和傳播速率的關(guān)系為

式中,λ

是波長,c是傳播速率,f

是頻率。由于電波的傳播速率固定不變,所以信號頻率越高,波長越短。

電磁波在空間的傳播途徑有三種。

第一種是沿地面?zhèn)鞑?稱為地波,如圖1.4(a)所示。

第二種是依靠電離層的反射傳播,稱為天波,如圖1.4(b)所示。

第三種是在空間直線傳播,稱為直線波或者空間波,如圖1.4(c)所示。圖1.4無線電波的傳播方式

1.2.5無線通信系統(tǒng)的類型

通信系統(tǒng)的種類很多。按照所用信道的不同,可以分為有線通信系統(tǒng)和無線通信系4高頻電子線路統(tǒng);按照業(yè)務(wù)(即所傳輸?shù)男畔⒎N類)的不同,可以分為電話、電報、傳真和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等;按照通信系統(tǒng)中信道傳輸?shù)幕鶐盘柌煌?可以分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

無線通信系統(tǒng)也有不同的劃分方法。

(1)按照工作頻段或傳輸手段分類,有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。

(2)按照通信方式分類,主要有(全)雙工通信、半雙工通信和單工通信。

(3)按照調(diào)制方式的不同來劃分,有調(diào)幅(AM)通信、調(diào)頻(FM)通信、調(diào)相(PM)通信以及混合調(diào)制通信等。調(diào)幅是指載波信號的幅度隨基帶信號變化;調(diào)頻是指載波信號的頻率隨基帶信號變化;調(diào)相是指載波信號的相位隨基帶信號變化。

(4)按照傳送消息的類型分類,有模擬通信和數(shù)字通信,也可以分為話音通信、圖像通信、數(shù)據(jù)通信和多媒體通信等。

各種不同類型的通信系統(tǒng),其系統(tǒng)組成和設(shè)備的復(fù)雜程度都有很大不同,但是組成設(shè)備的基本電路及其原理都是相同的,遵從同樣的規(guī)律。本書將以模擬通信為重點來研究這些基本電路,認(rèn)識其規(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)中。

1.3信號

在高頻電路中,我們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。所謂基帶信號,就是沒有進行調(diào)制的原始信號,也稱調(diào)制信號。高頻載波信號主要指用于調(diào)制的高頻振蕩(載波)信號和用于解調(diào)的本地振蕩信號(或稱恢復(fù)載波),一般為單一頻率的正弦(或余弦)信號或脈沖信號。已調(diào)信號是調(diào)制信號對載波信號進行調(diào)制以后所得到的信號?；鶐盘柾ǔ榈皖l信號,后兩者為高頻信號。

1.3.1-信號的分類

1.確定信號與隨機信號

確定信號可用一確定的時間函數(shù)來表示,對于指定的某一時刻,可以確定一個相應(yīng)的函數(shù)值。例如,正弦信號就是確定信號。實際傳輸中的信號往往是不確定的,這種信號稱為隨機信號。

2.周期信號與非周期信號

周期信號按一定的時間間隔重復(fù)出現(xiàn),其函數(shù)表達式為

滿足這個表達式的最小T值稱為信號的周期。若令T趨于無限大,則周期信號就成為非周期信號。

3.連續(xù)信號與離散信號

如果在某一時間間隔內(nèi),除了若干不連續(xù)點之外,信號的函數(shù)表達式對一切時間值都給出確定的函數(shù)值,這種信號稱為連續(xù)信號。圖1.5(a)所示的正弦波信號就是連續(xù)信號。時間和幅值都連續(xù)的信號又稱為模擬信號。

如果信號的函數(shù)表達式中,只在某些不連續(xù)的時間值上有給定函數(shù)值,則這種信號稱為離散信號。圖1.5(b)所示即為離散信號。時間變量取離散值的信號稱為離散時間信號。圖1.5連續(xù)信號和離散信號

如果離散時間信號的幅值是連續(xù)的,可稱其為抽樣信號。若離散信號的幅值也被限定為某些離散值,即時間與幅值都具有離散性,則稱其為數(shù)字信號。

4.能量信號與功率信號

在一定的時間間隔里,將信號加在負(fù)載上,負(fù)載中就消耗一定的信號能量。將這個能量值對于時間間隔取平均值,即得在此時間間隔內(nèi)的信號平均功率。若時間間隔趨于無限大,則有兩種情況:信號總能量為有限值,信號平均功率為零,這種信號稱為能量信號;或者信號平均功率為有限值,信號能量為無限大,這種信號稱為功率信號。周期信號都是功率信號;只存在于有限時間內(nèi)的非周期信號是能量信號;存在于無限時間內(nèi)的非周期信號可以是能量信號,也可以是功率信號。

5.噪聲

在信號處理過程中會遇到各種無用的干擾信號。信號處理過程所引入的有害的干擾統(tǒng)稱為噪聲。噪聲根據(jù)來源不同可分為:

(1)人為噪聲,亦稱可消除噪聲,如電器設(shè)備火花所產(chǎn)生的高頻脈沖、電源因濾波器不良而產(chǎn)生的交流噪聲,由系統(tǒng)設(shè)計或結(jié)構(gòu)不完善所引起的振蕩等。這些噪聲都是隨機出6高頻電子線路現(xiàn)的,通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計可以消除。

(2)無規(guī)則的自然噪聲,是由大氣中的閃電、銀河系的輻射、太陽黑子活動等所引起的噪聲,這種噪聲隨頻率上升而漸弱。

(3)起伏噪聲,這是由系統(tǒng)內(nèi)部的有源器件和實體電阻所產(chǎn)生的,如電阻或?qū)w中的電子熱運動引起的熱噪聲、半導(dǎo)體器件中載流子的擴散復(fù)合產(chǎn)生的隨機噪聲等。這種噪聲在各種物理系統(tǒng)中都存在。起伏噪聲的存在,使由電阻、導(dǎo)線、電子器件所構(gòu)成的設(shè)備測量微弱信號的能力大大下降。就接收設(shè)備而言,噪聲限制了它接收微弱信號的能力。

噪聲根據(jù)其特性可分為四類:熱噪聲、互調(diào)噪聲、串話噪聲和脈沖噪聲。

(1)熱噪聲是由電子在導(dǎo)體中的熱運動產(chǎn)生的,它存在于所有電子器件和傳輸信道中。熱噪聲是溫度的函數(shù),溫度越高,熱噪聲能量越大。熱噪聲的幅度服從正態(tài)分布,其功率譜密度為常數(shù),即其具有均勻頻譜,故熱噪聲也稱為白噪聲。熱噪聲所產(chǎn)生的干擾是不可能被消除的。

(2)互調(diào)噪聲的表現(xiàn)是,當(dāng)不同頻率的信號共用同一傳輸系統(tǒng)時,可以產(chǎn)生這些頻率之間或這些頻率的整倍數(shù)之間的和頻或差頻分量,它們的出現(xiàn)將干擾原頻率處的信號?；フ{(diào)噪聲是由通信系統(tǒng)中的非線性產(chǎn)生的。

(3)串話噪聲的表現(xiàn)是當(dāng)使用電話時,除通信方外,還可以聽到其他通話的聲音。串話是由線路間的耦合產(chǎn)生的。一般情況下,它與熱噪聲的幅度相當(dāng)。

(4)脈沖噪聲是一種不連續(xù)的、持續(xù)時間比較短而幅度較大的干擾信號。脈沖噪聲多是來自傳輸系統(tǒng)外部的干擾,如工業(yè)干擾、天電干擾等。脈沖噪聲對模擬信號的影響不嚴(yán)重,可表現(xiàn)為聲音傳輸中的“咔啦”聲,但其對數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)的影響比較嚴(yán)重,會造成誤碼,特別是連續(xù)產(chǎn)生誤碼,從而破壞了傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

1.3.2信號的時間特性和頻譜特性

1.時間特性

確定信號可以用包含信號全部信息量的時間函數(shù)表示。因此,信號的特性首先表現(xiàn)為它的時間特性。信號的時間特性是指信號隨時間變化的情況。這種變化有兩重意義:一個意義是同一形狀的波形重復(fù)出現(xiàn)的周期長短;另一個意義是信號波形本身變化的速率。時間函數(shù)可以用時間域方法來進行分析,最主要的時間域分析方法是卷積。

2.頻譜特性

對于較復(fù)雜的信號(如話音信號、圖像信號等),用頻譜分析法表示較為方便。為了分析信號的頻率特性,可采用傅里葉級數(shù)、傅里葉變換等變換域方法。這是因為任何形式的信號都可以分解為許多不同頻率、不同幅度的正弦信號之和。如圖1.6所示,圖中包括一重復(fù)頻率為F

的方波脈沖信號、直流分量、基波分量和三次諧波分量。諧波次數(shù)越高,幅度越小,其影響就越小。

周期性信號可以表示為許多離散的頻率分量,如圖1.7即為圖1.6所示信號的頻譜圖,水平軸表示頻率,垂直軸表示幅度。對于非周期性信號,可以用傅里葉變換的方法將其分解為連續(xù)譜的積分。頻譜特性包含幅頻特性和相頻特性兩部分,它們分別反映信號中各個頻率分量的振幅和相位分布情況。從頻譜特性上看,各個正弦分量的振幅和相位分別按頻第一章緒論7率高低排列,此頻譜圖即包含了信號的全部信息量。從理論上說,復(fù)雜信號的頻譜可以擴展至無限,但實際上,由于原始信號的能量一般都集中在頻率較低的范圍內(nèi),高于某一頻率的分量可以忽略不計,因此每一信號的頻譜都有一個有效的頻率范圍,稱為信號的頻帶。圖1.6信號分解圖1.7信號頻譜

3.信號傳輸頻率(頻率特性)

無線電波段可以按頻率劃分,也可以按波長劃分。表1-1列出按波長劃分的波段名稱、相應(yīng)的波長范圍及相應(yīng)的頻段名稱。不過,波段的劃分是粗略的,各波段之間并沒有明顯的分界線,所以各波段的銜接處,無線電波的特性也無明顯差異。

?話音頻率(VoiceFrequencies,VF):包含與人類語音相關(guān)的頻率,多用于標(biāo)準(zhǔn)電話信道,通稱話音頻率或話音頻帶信道。

?甚低頻(VeryLowFrequencies,VLF):包括人類聽覺范圍的高端,多用于某些特殊的政府或軍事系統(tǒng),比如潛艇通信。

?低頻(LowFrequencies,LF):主要用于船舶和航空導(dǎo)航。

?中頻(MediumFrequencies,MF):主要用于商業(yè)AM無線電廣播(535~1605kHz)。

?高頻(HighFrequencies,HF):常稱為短波(ShortWave)。大多數(shù)雙向無線電通信使用這個頻段,業(yè)余無線電和民用波段(CB)無線電也使用HF范圍內(nèi)的信號。

?甚高頻(VeryHighFrequencies,VHF):常用于移動通信、船舶和航空通信、商業(yè)FM廣播(88~108MHz)及部分商業(yè)電視廣播(54~216MHz)。

?特高頻(UltraHighFrequencies,UHF):由商業(yè)電視廣播的頻道、陸地移動通信業(yè)務(wù)、蜂窩電話、某些雷達和導(dǎo)航系統(tǒng)、微波及衛(wèi)星無線電系統(tǒng)所使用。一般說來,1GHz以上的頻率被認(rèn)為是微波頻率,它包含UHF范圍的高端。

?超高頻(SuperHighFrequencies,SHF):主要用于微波及衛(wèi)星無線電通信系統(tǒng)。

?極高頻(ExtremelyHighFrequencies,EHF):除了十分復(fù)雜、昂貴及特殊的應(yīng)用外,很少用于無線電通信。

?紅外光(Infrared):0.3~300THz范圍內(nèi)的信號,通常不認(rèn)為是無線電波。紅外光歸入電磁輻射,通常與熱有關(guān)系。

?可見光(VisibleLight):包括落入人類視覺可見范圍(0.3~3PHz)內(nèi)的電磁頻率,可用于光波通信。光波通信常與光纖系統(tǒng)一起使用,近年來它已成為電子通信系統(tǒng)的一種主要傳輸介質(zhì)。

全部電磁頻譜顯示了各種業(yè)務(wù)的大概頻段,如圖1.8所示。圖1.8電磁頻譜

當(dāng)涉及無線電波時,通常使用波長而不是頻率為單位。波長是電磁波的一個周期在空間占用的長度(即在一個重復(fù)的波形中類似點之間的距離)。波長與波的頻率成反比,且直接與波傳播的速度(電磁能量在自由空間中的傳播速度被認(rèn)為是光速,即3×108m/s)成正比。頻率、速度及波長之間的關(guān)系:

即圖1.9電磁波長譜

1.3.3信號的傳輸特性

在通信設(shè)備中,屬于線性系統(tǒng)的電路有線性放大器、濾波器、均衡器、相加(減)器、微分(積分)電路以及工作于線性狀態(tài)下的反饋控制電路等。屬于非線性系統(tǒng)的電路有諧振功率放大器、倍頻器、振蕩器、相乘器及各種調(diào)制解調(diào)器等。信

1.信號通過線性系統(tǒng)

信號通過線性系統(tǒng)時,系統(tǒng)的特性可以用單位沖激響應(yīng)h(t)表示,其系統(tǒng)框圖示于圖1.10。圖1.10線性系統(tǒng)

利用單位沖激響應(yīng)h(t)可以分析信號通過線性系統(tǒng)的時域特性,系統(tǒng)輸出和輸入間的關(guān)系可以用卷積積分式表示:

式中,ui(t)是系統(tǒng)的輸入信號,uo(t)是系統(tǒng)的輸出信號。

當(dāng)信號通過非理想線性系統(tǒng)時,輸出信號的頻率特性或者幅頻特性不是常數(shù),或者相頻特性不是頻率的線性函數(shù);輸出信號波形與輸入信號波形相比,產(chǎn)生了失真。這是由于信號通過線性系統(tǒng)時,改變了輸入信號各頻率分量之間的相對關(guān)系,它只會表現(xiàn)為信號波形畸變,而不會增加新的頻率分量,稱這種失真為線性失真。

2.信號通過非線性系統(tǒng)

信號通過非線性系統(tǒng)后,非線性系統(tǒng)的輸出信號中將產(chǎn)生新的頻率分量,這是非線性系統(tǒng)最主要的特點。

1.3.4混合信號的傳輸特性

混合是組合兩個或多個信號的過程,是電子通信中的一個基本過程。大體上有兩種辦法組合成混合信號:線性的和非線性的。

1.線性相加

當(dāng)兩個或多個信號在一個線性器件(如無源網(wǎng)絡(luò)或小信號放大器)中組合時會出現(xiàn)信號的線性相加,信號以這種方式組合沒有新的頻率產(chǎn)生,組合的波形只是各個信號的線性相加。在錄音領(lǐng)域中,線性相加有時稱為線性混音,但是在無線電通信領(lǐng)域中,混頻幾乎總是指非線性過程。

圖1.11(a)顯示了兩個輸入頻率在一個小信號放大器中的組合。每個輸入信號由增益(A)放大,因此輸出為

其中

uout是包含兩個輸入頻率的一個復(fù)雜波形且等于ua和ub

的代數(shù)和。圖1.11(b)顯示了ua

和ub

在時域中的線性相加,而圖1.11(c)顯示了其在頻域中的線性相加。如果另一些輸入頻率加到該電路上,它們同樣與ua

和ub線性相加。在高保真音頻系統(tǒng)中,輸出譜只包含原始的輸入頻率,因此要進行線性運算。但是在無線電通信中,調(diào)制經(jīng)常需要進行非線性混頻。圖1.11-線性混合

2.非線性混頻

當(dāng)兩個或多個信號在一個非線性器件(如一個二極管或大信號放大器)中組合時