1、第1章 绪论 本章要点本章要点 通信系统的组成及原理 无线电发送、 接收设备的组成及其基本原理 无线电波波段的划分本章难点本章难点无线电发送设备的构成及原理分析无线电接收设备的构成及原理分析 第1章 绪论 1.1通信系统的组成及原理通信系统的组成及原理 无线电的发明起源于电磁学的发展。19世纪60年代，麦克斯韦总结库仑、安培、法拉第等人的研究工作之后，提出了电磁波的概念。1887年，赫兹成功地在导线中激起高频电流，在导线周围测出电磁场，验证了电磁场的存在。1896年3月，苏联物理学家波波夫在莫斯科首次进行世界上第一次无线电电报的发射和接收试验。1901年，意大利科学家马可尼首次完成了横渡大西洋
2、的无线电通信。此后无线电电子技术获得迅速发展，其应用领域也不断扩大，但是到现在信息传输和处理仍是其主要的应用领域。第1章 绪论 用电信号（或光信号）传输信息的系统称为通信系统。其基本组成如图1-1所示，它由信号源、发送设备、传输信道、接收设备和终端装置组成。 第1章 绪论 图1-1通信系统的组成 第1章 绪论 信号源就是信息的来源，它有不同的形式，如语言、音乐、文字、图像、电码等。发送设备将要传输的信号转换为对应的电信号(称为基带信号)，再进行处理并以足够的功率送入传输信道，以实现信号的有效传输。传输信道是信号传输的通道，又称传输媒介，常有无线信道和有线信道。无线信道常用自由空间，有线信道常用
3、电缆、光导纤维等。接收设备把传输信道传过来的已调信号取出并进行处理，还原出基带信号。第1章 绪论 终端装置把基带信号转换为原来的信号。总之，经过一个完整的通信系统，最终完成信号的传输。通信系统有多种，常分为有线通信系统和无线通信系统； 模拟通信系统和数字通信系统。无线电广播系统是无线通信系统的典型应用之一，我们以无线电调幅广播为例，简要说明发送设备、接收设备的组成与基本原理。 第1章 绪论 1.2无线电发送设备的组成及其基本原理无线电发送设备的组成及其基本原理无线电调幅广播发射机的构成框图如图1-2所示，主要由载波信号产生电路、调制信号产生电路、振幅调制电路及发射天线等组成。 第1章 绪论 图
4、1-2调幅广播发射机的构成框图 第1章 绪论 1) 载波信号产生电路载波信号产生电路主要由高频振荡器(又称主振器)、高频放大器及倍频器组成，其基本功能是产生高频大功率的正弦波信号。通常，主振器是由石英晶体振荡器构成，优点是能产生波形好、频率极其稳定的正弦波信号； 缺点是振荡频率不高，利用高频放大器及倍频器，进行倍频及放大，得到频率较高的高频正弦波(即载波)。在一些特殊电子系统，载波也采用其他一些波形，如三角波、方波等。 第1章 绪论 2) 调制信号产生电路调制信号产生电路由话筒和低频放大器组成。话筒的功能是将声音转换成微弱的音频电信号，再经低频放大器，产生振幅调制电路要求的调制信号。3) 振幅
5、调制电路振幅调制电路的基本功能是将调制信号对高频载波进行振幅调制，输出大功率的调幅波信号。 第1章 绪论 (1) 振幅调制基本原理。振幅调制通常称为调幅，其原理图如图1-3所示。 图1-3调幅原理图 第1章 绪论 设输入调幅电路载波信号数学表达式为uc (t)=Ucmcosct其中，Ucm为载波振幅；c为载波角频率。通常，调制信号是一个复杂的信号，但为分析问题方便，常用单一频率余弦信号为例，进行讨论。调制信号的数学表达式为u (t)=Umcost。根据调幅定义，u (t)对uc (t)进行调幅后，输出调幅波的一般表达式为tstmUttUUKUttUKUtucacmccmmacmcmacmAMc
6、ocos1coscos1coscos)(1-1) 第1章 绪论 其中，Ka为与调幅电路有关的系数； 为调幅系数，通常小于1; Ucm (1+ma cost) 为调幅波的瞬时振幅。 可见uAM (t)的瞬时振幅随u(t)的大小而变化。利用三角函数变换，将(1-1)式展开，得cmmaaUUKm tUmtUmtUtu)cos(21)cos(21cos)(ccmaccmaccmAM(1-2) 第1章 绪论 可见，单一频率调幅波由三个频率成分的信号叠加而成，即载频、上边频、下边频三个频率分量，其频谱如图1-4所示。第1章 绪论 图1-4调制信号、载波及调幅波的频谱 第1章 绪论 由图1-4可见，调幅过程
7、的实质就是将调制信号u (t)的频谱搬移到载频两侧的过程。复杂调制信号的调幅过程也是如此。 第1章 绪论 (2) 采用调制发射的原因。在无线电通信系统中，电信号是通过无线以电磁波的形式向空间辐射传输的。目前，几乎所有的无线电发射机都采用调制发射方式，即把调制信号(代表要传输的信息)调制在高频载波上，然后由天线辐射出去。那么，为什么要采用调制发射呢？采用调制发射方式的原因是多方面的，但至少在以下两方面是最基本的。其一是与无线电波有效辐射的条件有关，其二是为了满足“多路复用”的需要。 第1章 绪论 由电磁场理论知，只有当天线的尺寸与被辐射信号的波长相比拟时(波长l的1/101)，信号才能被有效地辐
8、射出去。对于频率f为20 Hz20 kHz的音频信号，由l =C/f知(C为光速，C=3108* m/s)，相应的波长l为15 00015 km，若采用l /4天线，则天线长度至少应在3.75 km以上。显然，这是不可能实现的。采用调制就可以把低频调制信号调制在高频载波上，从而易于实现电信号的有效传输。 第1章 绪论 不同电台可以采用不同频带的高频电磁波，以避免相互之间的干扰，满足多路复用。例如，有一组音乐信号和一组语言信号要同时播出，若将这两组信号同时向空间辐射，则这两组信号的频谱就会发生混叠现象。当接收机收到这类信号，无法将其彼此分开，在扬声器中同时发出音乐声与讲话声，显然这不符合实际要求
9、。若采用调制，将音乐信号调在fc1上，语言信号调在fc2上，在接收机中，通过选台，分别接收、还原出原来的音乐或者语言信号。综合上述，基于上述两点使目前所有的无线通信、无线广播和电视广播均毫无例外地采用调制发射方式。 第1章 绪论 (3) 调制类型。在高频电子线路中，只讨论连续波的调制与解调。调制有三种类型：调幅、调频和调相，分别对应的解调方式为： 检波、鉴频和鉴相。第1章 绪论 4) 高频功率放大器由于调幅电路输出的功率不大，因此需对其输出的调幅波信号进行功率放大，采用高频功率放大器，用以输出大功率的调幅波，来满足增大发射设备的覆盖面，即增加发射设备的作用距离。 第1章 绪论 1.3无线电接收
10、设备的组成及其基本原理无线电接收设备的组成及其基本原理无线电调幅广播接收机的组成框图如图1-5所示。为提高接收机的性能，均采用超外差接收方式，即把不同接收频率的信号变为固定频率的中频信号。 第1章 绪论 图1-5调幅广播接收机构成框图 第1章 绪论 (1) 高频放大器。在接收机中，天线能起到对空间电磁波汇聚作用，而高频放大器具有选频与放大功能。为提高接收机的灵敏度，常选用低噪声高放管。(2) 本机振荡器。本机振荡器又称为本振，它的功能是为混频器提供高频正弦波信号。(3) 混频器。混频器是超外差接收机的重要组成部分。其基本功能是将本振信号和高频调幅波信号进行频率变换，选择输出中频的调幅信号。(4
11、) 中频放大器。中频放大器的基本功能是将混频器输出的中频调幅波信号进行放大，为检波器提供要求输入幅度的信号。 第1章 绪论 (5) 检波器。检波器的主要功能是将中频放大器输出的中频调幅波信号变换成音频信号。(6) 前置放大器。前置放大器主要完成音频信号的电压放大，满足低频功率放大器输入信号的要求，即起推动激励作用。(7) 低功放。低频功率放大器完成音频信号的功率放大，推动扬声器工作，还原出音频信号。 第1章 绪论 1.4无线电波波段的划分和无线电波的传播无线电波波段的划分和无线电波的传播1.4.1无线电波波段的划分无线电波波段的划分由于频率不同，电子器件、电路特性和无线电波传播的特点差异会很大
12、，有必要简单介绍一下无线电波波段的划分及其主要用途。第1章 绪论 习惯上，人们把频率在10 kHz到103GHz范围内的电磁波叫做无线电波。对频率范围如此宽的无线电波，为了分析和应用方便，人们按习惯把它划分为若干波段或频段，如表1-1所示。根据无线电不同的使用用途，又有更详细的划分，表1-2为我国陆地移动无线电业务频率划分，表1-3为业余无线电通信频率使用划分表，表1-4和表1-5为无绳电话使用频率划分表，表1-6为广播及电视频率划分表，表1-7为玩具无线电遥控及通信频率表，表1-8为发射特性国际代号说明。第1章 绪论 表表1-1无线电波的频段划分及主要用途无线电波的频段划分及主要用途 第1章
13、 绪论 表表1-2我国陆地移动无线电业务频率划分我国陆地移动无线电业务频率划分 第1章 绪论 表表1-3业余无线电通信频率使用划分表业余无线电通信频率使用划分表 第1章 绪论 表表1-4无绳电话使用频率划分表一无绳电话使用频率划分表一 第1章 绪论 表表1-5无绳电话使用频率划分表二无绳电话使用频率划分表二 第1章 绪论 表1-4为我国无线电管理委员会1985年制定，表1-5为1992年制定。规定无绳电话频道间隔为25 kHz，座机发射功率不得超过50 mW，手机发射功率不得超过20 mW，发射类别为F3E、F1D、G3E。 第1章 绪论 表表1-6广播及电视频率划分表广播及电视频率划分表 第
14、1章 绪论 表表1-7玩具无线电遥控及通信频率表玩具无线电遥控及通信频率表 第1章 绪论 表表1-8发射特性国际代号说明发射特性国际代号说明 第1章 绪论 1.4.2无线电波的传播无线电波的传播无线电波的传播是无线电通信系统的一个重要环节。无线电波的传播方式大体可分为三种。(1) 绕射传播方式。所谓绕射传播即绕地球弯曲表面传播，如图1-6(a)所示。由于地球表面并非传播电磁波的理想导体，因而电磁波在绕射传播过程中会有能量损耗，能量损耗的大小与电磁波的频率等因素有关。绕射传播的主要特点是传播比较稳定，传播距离也比较远，故可用于导航和播送标准的时间信号。 第1章 绪论 图1-6电磁波的三种传播方式
15、 第1章 绪论 (2) 直射传播方式。如图1-6(b)所示为直射传播方式，由于地球表面为一弯曲面，因而直射传播的电磁波只能在视距范围内。发射天线和接收天线架设愈高，其传播距离就愈远(在发射机发射功率足够大，接收机灵敏度足够高的条件下)。电磁波在空间传播时会被大气吸收，因而有部分能量损耗，损耗与电磁波的波长等因素有关。电磁波直射传播方式主要应用于中继通信、调频和电视广播以及雷达、导航系统中。 第1章 绪论 (3) 反射及折射传播方式。如图1-6(c)所示为电磁波的反射及折射传播方式，它是利用空间电离层的反射和折射现象而实现的。在地球的表面存在着具有一定厚度的大气层，由于受到太阳的照射，大气层上部
16、的气体将发生电离而产生自由电子和离子，被电离的这一部分大气层称为电离层。电磁波到达电离层后，一部分能量被吸收掉，一部分能量被反射和折射到地面，频率较低的电波容易从电离层反射到地面，频率较高的则容易穿过电离层，不再回到地面。利用电离层反射可以实现信号的远距离传输，所以短波通信常用于远距离无线电广播、电话通信以及中距离小型移动电台等。但由于电离层状态会随时间而变化，因此反射及折射传播方式的电波传播不稳定。 第1章 绪论 小结小结1. 用电信号(或光信号)传输信息的系统称为通信系统，由信号源、发送设备、传输信道、接收设备和终端装置组成。通信系统种类很多，利用空间电磁波来传送信号的称为无线通信系统，利
17、用光缆或电缆等来传送信号的称为有线通信系统。第1章 绪论 2. 无线电调幅广播发射机主要由载波信号产生电路、调制信号产生电路、振幅调制电路及发射天线等组成。为改善系统性能，实现信号的有效传输及多路复用，通信系统广泛采用调制技术。对于连续信号的调制常有调幅、调频和调相三种形式。3. 无线电调幅广播接收机主要由高频放大器、本振、混频器、中频放大器、检波器、前置放大器、低功放及扬声器等组成。4. 无线电波波段常划分为超长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波等。其传播常采用绕射传播、直射传播和反射及折射传播方式。 第1章 绪论 习题习题1. 何谓通信系统？通信系统由哪些部分组成？各组成部分的作用是什么？2. 无线电发送设备和接收设备各由哪些部分组成？各组成部分的作用是什么？3. 无线通信系统为何采用调制发射方式？调幅波有何特点？4. 无线电波传播方式大体可分为几种？各自有何特点？
