第1章-通信電子線路-緒論

第1章緒論

1.1電子線路的分類

1.2線性與非線性電子線路1.3非線性電子線路的應用1.4本課程的要求1.1電子線路的分類按工作頻率分低頻電子線路：工作頻率低于300kHz。高頻電子線路：工作頻率在300kHz----300MHz。廣播、電視、短波通信、移動通信等。微波電子線路：頻率高于300MHz。衛(wèi)星電視、微波中繼通信、雷達、導航等。電子線路的定義：包含有源器件的網(wǎng)絡的統(tǒng)稱。按信號形式分模擬電子線路：所有完成模擬信號產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路。按集成度分數(shù)字電子線路：所有完成數(shù)字信號產(chǎn)生、放大、變換、處理和傳輸?shù)碾娮泳€路。分立電路集成電路集成電路與分立電路相比，集成電路具有體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高、維修使用方便等優(yōu)點。但是，由于頻率響應和功率容量的限制，目前高頻、大功率電子線路還是以分立為主。按元件性質(zhì)分線性電子線路：由線性元件組成的電子線路。恒定參數(shù)電子線路：由恒定參數(shù)元件組成的電子線路。線性電路是用線性代數(shù)方程、線性微分方程或線性差分方程來描述。非線性電子線路：由非線性元件組成的電子線路。非線性電子線路是用非線性代數(shù)方程、非線性微分方程或非線性差分方程來描述。參變電子線路或時變電路：包含有時變參數(shù)元件的電子線路。由于本書研究的主要是非線性電子線路，所以必須對線性電子線路和非線性電子線路有一個正確的認識。線性電子線路具有線性特性，也就是它具有疊加性和均勻性，適用疊加定理。非線性電子線路與線性電子線路有五點不同。1.2線性與非線性電子線路非線性電子線路與線性電子線路的五個不同點非線性電子線路不具有疊加性和均勻性，不適用疊加定理。如：在穩(wěn)定狀態(tài)下，非線性電子線路輸出變量中含有新的頻率分量。如：3.

處于非線性狀態(tài)工作的有源器件，如晶體三極管、場效應管、運算放大器等，它們的輸出響應與器件工作點的選取和輸入信號的大小有關(guān)。這一點，可以用圖1.1說明。圖1.1示出了晶體三極管的轉(zhuǎn)移特性。圖1.1(a)中，靜態(tài)工作點取在放大區(qū)，當輸入信號很小時，可近似認為是線性工作。集電極電流的變化ΔiC與輸入信號ui近似為線性關(guān)系。隨著輸入信號幅度的增大，由于器件的非線性，集電極電流開始出現(xiàn)失真，以至變?yōu)橛嘞颐}沖形狀。圖1.1(b)示出當靜態(tài)偏置電壓小于零，晶體管靜態(tài)處于截止狀態(tài)時，隨著輸入信號的增加，集電極電流開始為零，以后變?yōu)橛嘞颐}沖的形狀。圖1.1非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點和輸入信號大小的關(guān)系

(a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)；(b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū)圖1.1非線性工作的晶體三極管集電極電流與靜態(tài)工作點和輸入信號大小的關(guān)系

(a)靜態(tài)工作點處于放大區(qū)；(b)靜態(tài)工作點處于截止區(qū)(1.2―1)4.描述非線性器件特性的參量有三種：一是靜態(tài)參量，也稱為直流參量；二是動態(tài)參量，也稱為交流參量；三是折合參量，也稱為平均參量。用這三種參量綜合起來描述一個非線性器件的工作狀態(tài)。如晶體三極管在非線性狀態(tài)下工作，它的跨導要用直流跨導、交流跨導和平均跨導三個參量來表述。所謂直流跨導就是靜態(tài)工作點的電流與靜態(tài)工作點的電壓之比。如圖1.2(a)所示，直流跨導(1.2―2)當輸入信號ui=Uimcosωt，晶體管的集電極電流為余弦脈沖時(見圖1.1(b))，利用傅立葉級數(shù)展開交流跨導是在靜態(tài)工作點處的電流增量與電壓增量之比。如圖1.2(b)所示，交流跨導圖1.2直流跨導與交流跨導(a)直流跨導示意圖；(b)交流跨導示意圖(1.2―3)其中包含有直流、基波和各次諧波分量。取其中一個諧波分量的幅值Inm與輸入電壓幅值Uim相比，得到的比值gcn就是第n次諧波的平均跨導。如二次諧波的平均跨導為5.非線性電子線路的數(shù)學描述是非線性方程。非線性微分方程的精確求解是一個難題，時至今日，二階以上的非線性微分方程還沒有實用的求解方法。在工程上一直沿用的是近似解法，本書也將采用這種方法。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，二階以下的非線性微分方程可以采用計算機數(shù)值解法，這種方法將會逐步走向?qū)嵱谩?.3非線性電子線路的應用

非線性電子線路是通信系統(tǒng),特別是無線通信系統(tǒng)的基礎,是無線通信設備的重要組成部分。

1.3.1無線通信系統(tǒng)的組成

無線通信(或稱無線電通信)的類型很多,可以根據(jù)傳輸方法、頻率范圍、用途等分類。不同的無線通信系統(tǒng),其設備組成和復雜度雖然有較大差異,但它們的基本組成不變,圖1.4是無線通信系統(tǒng)基本組成的方框圖。圖1.3通信系統(tǒng)的框圖圖1.4無線廣播發(fā)送設備與接收設備框圖

(a)發(fā)送設備圖1.4無線廣播發(fā)送設備與接收設備框圖

(b)接收設備超外差接收機的主要特點就是由頻率固定的中頻放大器來完成對接收信號的選擇和放大。當信號頻率改變時,只要相應地改變本地振蕩信號頻率即可。由上面的例子可以總結(jié)出無線通信系統(tǒng)的基本組成,從中也可看出高頻電路的基本內(nèi)容應該包括:

（1）高頻振蕩器（2）放大器（3）混頻或變頻（4）調(diào)制與解調(diào)注：混頻器：器件本身僅能實現(xiàn)頻率變換，本振信號由另外器件產(chǎn)生。變頻器：器件本身既能產(chǎn)生振蕩電壓又能實現(xiàn)頻率變換1.3.2無線通信系統(tǒng)的類型

按照無線通信系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的不同特性,有以下一些類型:

（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。所謂工作頻率,主要指發(fā)射與接收的射頻（RF）頻率。射頻實際上就是“高頻”的廣義語,它是指適合無線電發(fā)射和傳播的頻率。無線通信的一個發(fā)展方向就是開辟更高的頻段。（2）按照通信方式來分類,主要有（全）雙工、半雙工和單工方式。（3）按照調(diào)制方式的不同來劃分,有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及混合調(diào)制等。（4）按照傳送的消息的類型分類,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)組成和設備的復雜程度都有很大不同。但是組成設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,認識其規(guī)律。這些電路和規(guī)律完全可以推廣應用到其它類型的通信系統(tǒng)。1.3.3傳播特性

傳播特性指的是無線電信號的傳播方式、傳播距離、傳播特點等。無線電信號的傳播特性主要根據(jù)其所處的頻段或波段來區(qū)分。電磁波從發(fā)射天線輻射出去后,不僅電波的能量會擴散,接收機只能收到其中極小的一部分,而且在傳播過程中,電波的能量會被地面、建筑物或高空的電離層吸收或反射,或者在大氣層中產(chǎn)生折射或散射等現(xiàn)象,從而造成到達接收機時的強度大大衰減。根據(jù)無線電波在傳播過程所發(fā)生的現(xiàn)象,電波的傳播方式主要有直射（視距）傳播、繞射（地波）傳播、折射和反射（天波）傳播及散射傳播等,如圖1—5所示。決定傳播方式和傳播特點的關(guān)鍵因素是無線電信號的頻率。

圖1—5無線電波的主要傳播方式（a）直射傳播;（b）地波傳播;（c）天波傳播;（d）散射傳播1.地波：其傳播情況取決于地面條件。

1）地面對電磁波有吸收現(xiàn)象。

2）電磁波頻率越低，損耗越小。

3）電磁波具有繞射的特性。地波傳播適用于長波、中波（即中、低頻）多用于遠距離通信與導航。2.天波：是經(jīng)過距地面60—600Km的電離層反射后，傳播到接收點的電磁波。主要優(yōu)點是用較小的功率進行遠距離通信。天波傳播適用于短波波段。3.散射傳播：主要發(fā)生在10—12Km范圍內(nèi)的對流層。散射特性是具有很強的方向性和隨機性，還有一定的散射損耗。傳播距離100—500km，適用頻率在400—600MHz。4.視距傳播：頻率較高的超短波及其更高頻率的無線電波，主要沿空間直線傳播。緒論：長波信號以地波繞射為主，中波和短波信號可以以地波和天波兩種方式傳播，超短波以上頻段信號大多以直射方式傳播，也可用對流層散射的方式傳播?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)

70年代以前，通信系統(tǒng)主要是模擬體制，接收機如前介紹的超外差接收機，70—80年代無線電通信實現(xiàn)了模擬

數(shù)字的大轉(zhuǎn)變，從系統(tǒng)控制（選臺調(diào)諧、音量控制，均衡控制等）到信源編碼、信道編碼，以及硬件實現(xiàn)技術(shù)都無一例外地實現(xiàn)了數(shù)字化?，F(xiàn)代超外差接收機可用下圖來表示，它是一個模擬與數(shù)字的混合系統(tǒng)。軟件無線電

進入90年代后，通信界開始了一場新的無線電革命，即從數(shù)字化走向了軟件化，軟件無線電技術(shù)（softwareRadio）應運而生。支持這場革命的是多種技術(shù)的綜合，包括多頻段天線和RF變換寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換，完成IF、基帶、比特流處理功能的通用可編程處理器等。軟件無線電最初目的是滿足軍用通信中不同頻段，不同信道調(diào)制方式和數(shù)據(jù)方式的各類電臺之間的聯(lián)網(wǎng)需要，因為它可以很容易地解決各種接口標準之間的兼容問題，使得它的優(yōu)越性很快得到商用通信的青睞，并且在個人移動通信領域發(fā)展迅速。軟件無線電是特指具有用軟件實現(xiàn)各種功能特點的無線電臺（如移動通信中的移動電話機、基站電臺、軍用電臺等），它主要由低成本、高性能的DSP芯片組成。規(guī)范的軟件無線電典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。軟件無線電的標志：

1.無線通信功能是由軟件定義并完成的，這種完全的可編程能力包括可編程的射頻波段、信道接入方式、信道調(diào)制方式與糾錯算法等，軟件無線電區(qū)別于軟件控制的數(shù)字無線電。

2.在盡可能靠近天線的地方使用A/D/A轉(zhuǎn)換器，因為信號的數(shù)字化是實現(xiàn)軟件無線電的首要條件。理想軟件無線電系統(tǒng)中的A/D/A轉(zhuǎn)換器已相當靠近天線，從而可對高頻信號進行數(shù)字化處理，這也是它與常用的數(shù)字通信系統(tǒng)的根本區(qū)別所在。

軟件無線電的特點：

1.具有完全的可編程性通過安裝不同的軟件來實現(xiàn)不同的電路功能，包括工作模式，系統(tǒng)功能，擴展業(yè)務等。

2.軟件無線電基于DSP技術(shù)

系統(tǒng)所需要的信號處理工作有變頻、濾波、調(diào)制解調(diào)，信道編譯碼，接口協(xié)議與信令處理，加解密、抗干擾處理，以及網(wǎng)絡監(jiān)控管理。3.

其有很強的靈活性及可擴充性可以任意轉(zhuǎn)換信道接入方式，改變調(diào)制方式或接收不同系統(tǒng)的信號。4.

具有集中性由于軟件無線電結(jié)構(gòu)具有相對集中和統(tǒng)一的硬件平臺，所以多個信道可以享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器，從而可以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。由于大規(guī)模集成電路的數(shù)字無線電和軟件無線電收發(fā)信機，其內(nèi)部的基本功能，基本原理，工作流程和電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的超外式無線電收發(fā)信機并無太大差異，經(jīng)典高頻電子線路的分析方法與設計思想仍可作為現(xiàn)代無線電新技術(shù)的理論基礎。而且，由于目前器件水平的限制，軟件無線電技術(shù)還基本只能在通信系統(tǒng)的基帶處理部分得到較好發(fā)揮，還必須采用與傳統(tǒng)電路結(jié)合的方式進行系統(tǒng)研制。要超越器件水平的限制，進行深入的理論研究，提出新的解決方案和好的算法，也需要借助于一些經(jīng)典的通信電路理論。數(shù)字通信中的很多電路功能也基本上用模擬電路實現(xiàn)。因此，本門課程中仍以基本模擬通信電子電路為主要內(nèi)容進行分析。1.4本課程的特點

第一、在掌握典型非線性電子線路原理的基礎上，學會非線性電子線路的分析方法。第二、非線性電子線路采用的是工程近似分析法，近似都是有條件約束的。第三、非線性電子線路比線性電路復雜，它所涉及的知識面更廣，因此要注意知識的綜合能力。附：LC諧振回路

LC諧振回路是高頻電路中應用最廣的無源網(wǎng)絡,也是構(gòu)成高頻放大器、振蕩器以及各種濾波器的主要部件,在電路中完成阻抗變換、信號選擇等任務,并可直接作為負載使用。

1.簡單諧振回路諧振回路就是由電感和電容串聯(lián)或并聯(lián)形成的回路。只有一個回路的振蕩電路稱為簡單振蕩回路或單振蕩回路。（1）串聯(lián)諧振回路。圖1（a）是最簡單的串聯(lián)振蕩回路。圖1串聯(lián)震蕩回路及其特性在任意頻率下的回路電流與諧振電流之比為若在串聯(lián)振蕩回路兩端加一恒壓信號,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,其值為其模為其中,（附1）

圖2串聯(lián)諧振回路的諧振曲線圖3串聯(lián)回路在諧振時的電流、電壓關(guān)系稱為回路的品質(zhì)因數(shù),它是振蕩回路的另一個重要參數(shù)。根據(jù)式（附1）畫出相應的曲線如圖2所示,稱為諧振曲線。令為廣義失諧,則式（附1）可寫成在實際應用中,外加信號的頻率ω與回路諧振頻率ω0之差Δω=ω-ω0表示頻率偏離諧振的程度,稱為失諧。當ω與ω0很接近時,（附2）(2—10)

(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（如恒壓源）的情況或低阻抗的電路（如微波電路）。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時對應的頻率范圍稱為回路的通頻帶,也稱回路帶寬,通常用B來表示。令式（附2）等于,則可推得ξ=±1,從而可得帶寬為.

圖4并聯(lián)諧振回路及其等效電路、阻抗特性和輻角特性

(a)并聯(lián)諧振回路;（b）等效電路;（c）阻抗特性;（d）輻角特性

并聯(lián)諧振回路的并聯(lián)阻抗為(2—11)式中,Q為回路的品質(zhì)因數(shù),有當時,

?；芈吩谥C振時的阻抗最大,為一電阻R0定義使感抗與容抗相等的頻率為并聯(lián)諧振頻率ω0,令Zp的虛部為零,求解方程的根就是ω0,可得（附3）并聯(lián)回路通常用于窄帶系統(tǒng),此時ω與ω0相差不大,式（附3）可進一步簡化為式中,Δω=ω-ω0。對應的阻抗模值與幅角分別為圖5表示了并聯(lián)振蕩回路中諧振時的電流、電壓關(guān)系。例1

設一放大器以簡單并聯(lián)振蕩回路為負載,信號中心頻率fs=10MHz,回路電容C=50pF,(1)試計算所需的線圈電感值。

(2)若線圈品質(zhì)因數(shù)為Q=100,試計算回路諧振電阻及回路帶寬。

(3)若放大器所需的帶寬B=0.5MHz,則應在回路上并聯(lián)多大電阻才能滿足放大器所需帶寬要求?

解

(1)計算L值。將f0以兆赫茲(MHz)為單位,Ｃ以皮法(pF)為單位,L以微亨（μH）為單位，上式可變?yōu)橐粚嵱糜嬎愎?將f0=fs=10MHz代入,得

(2)回路諧振電阻和帶寬。回路帶寬為

(3)求滿足0.5MHz帶寬的并聯(lián)電阻。設回路上并聯(lián)電阻為R1,并聯(lián)后的總電阻為R1∥R0,總的回路有載品質(zhì)因數(shù)為QL。由帶寬公式,有此時要求的帶寬B=0.5MHz,故回路總電阻為需要在回路上并聯(lián)7.97kΩ的電阻。U—部分電抗兩端電壓UT—總電抗兩端的電壓2)抽頭并聯(lián)振蕩回路作用：實現(xiàn)阻抗匹配或阻抗變換。見圖接入系數(shù)（或抽頭系數(shù)）p的定義：與外電路相聯(lián)的那部分電抗與本回路參與分壓的同性質(zhì)總電抗之比。也可用電壓比來表示。圖6幾種常見抽頭振蕩回路高Q值時：L1對于圖2—9（b）的電路,其接入系數(shù)p可以直接用電容比值表示為4)在回路失諧不大，又p不很小時：電壓源的折合:

U=pUT圖7電流源的折合

及如圖7的電流源的折合：諧振時的回路電流IL和IC與I的比值要小些,而不再是Q倍。由可得圖8抽頭回路

例2

如圖8，抽頭回路由電流源激勵,忽略回路本身的固有損耗,試求回路兩端電壓u(t)的表示式及回路帶寬。諧振角頻率為電阻R1的接入系數(shù)等效到回路兩端的電阻為解由于忽略了回路本身的固有損耗,因此可以認為Q