1、高频电子技术高频电子技术第1章 绪论通信系统的基本组成通信系统的基本组成1.1.1无线电发送与接收设备无线电发送与接收设备1.1.2调制和解调调制和解调1.1.3无线电波段的划分与传播途径无线电波段的划分与传播途径1.1.41.11.1 通信与通信系统通信与通信系统通信定义：一般而言，通信是指由一地向另一地进行消息的传递。人类社会建立在信息交流的基础上，通信是推动人类社会文明、进步与发展的巨大动力。意义：从远古时代到现代文明社会，人类社会的各种活动与通信密切相关，特别是当今世界已进入信息时代，通信已渗透到社会各个领域，成为现代文明的标志之一。目的及形式：通信的目的是传递消息，消息具有不同的形式
2、，例如：语言、文字、数据和图象等。通信中消息的传送是通过信号来进行的，如：烽火台的狼烟信号、红绿灯信号、电压和电流信号等。信号是消息的载体。什么是电通信及其特点：在各种各样的通信方式中，利用“电信号”来承载消息的通信方式称为电通信，这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，而且几乎不受时间、地点、空间和距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。1.1 1.1 通信与通信系统通信与通信系统通信系统的定义：所谓通信系统，可以简单称为传输信息的系统，即实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和。以点对点通信为例，通信系统的组成如图1-1所示。图1-1 通信系统方框图 图中，信号源的作用是把待传输的原始消息
3、转换成电信号，如话筒，将原始语音信号（20Hz20kHz）转变成音频电信号。发送设备是将电信号变换成适合在信道中传输的形式已调信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信息源编码和信道编码等。1.1.1 1.1.1 通信系统的基本组成通信系统的基本组成 信道是指信号传输的通道，可以是电缆线、光导纤维，也可以是自由空间。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行信号的解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出与发送端相对应的电信号；终端装
4、置是将复原的电信号转换成相应的原始消息，如将音频信号还原成声音。发送设备是将电信号变换成适合在信道中传输的形式已调信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信息源编码和信道编码等。1.1.1 1.1.1 通信系统的基本组成通信系统的基本组成1无线电发送设备1.1.2 无线电发送与接收设备1.1.2 无线电发送与接收设备 高频振荡器用来产生频率稳定、波长符合要求的高频正弦波。高频放大器及倍频器将振荡器产生的高频信号幅度放大并通过倍频将频率提高到载频（射频）幅度调制器将调制信号“装载”到载波的幅度上，使高频正弦波信号的幅度跟随调制
5、信号的变化规律而变化。幅度调制的基本原理将在本书第4章详细介绍。高频功率放大器增大发射设备的作用距离，使接收机在覆盖范围内能有效地接收。1.1.2 无线电发送与接收设备2 无线电接收设备1.1.2 无线电发送与接收设备（1）高频放大器 高频放大器的主要任务有两个：一是从接收到的众多电台中选择出一个所需要的电台信号；二是对所选中的信号进行放大。也就是说，高频放大器是选频放大器，放大器的谐振频率调谐于该电台的载频上，选出这个电台的已调信号，并加以放大。为降低整机的噪声，提高整机的灵敏度，高频管应尽量选用低噪声的放大管，高频放大器的选频功能应尽可能好，这类放大器的负载回路一般为LC谐振电路，常称这类
6、放大器为小信号选频放大器。1.1.2 无线电发送与接收设备（2）本机振荡器 本机振荡器又称本振电路，它的功能是为混频器提供高频正弦波信号，以便与接收到的载波信号混频。本振电路常采用互感耦合振荡器或三点式振荡器。（3）混频器 混频器是超外差接收机的重要组成部分。混频器的功能是将载波信号与本振信号进行非线性变换，使之变成中频的调幅信号输出。1.1.2 无线电发送与接收设备 若输入混频器的载波信号频率用 表示，本振信号频率用 表示，而混频输出中频调幅波的频率用来 表示，则：已调信号的载频 是随不同广播电台而异的。例如，广播电台1的载频为1200kHz,而广播电台2的载频为837kHz。无论收音机收听
7、1台节目还是2台节目，混频器输出的中频信号的频率是不变的，即中频465kHz。这是超外差接收机的主要特点。CfLfIfCLIfff1.1.2 无线电发送与接收设备（4）中频放大器 中频放大器的功能是将混频器输出的中频信号进行放大，为检波器提供峰峰值约为1V的调幅波信号。由于混频器输出的中频信号通常为毫伏（mV）级甚至更小，故收音机中频放大器的电压增益一般需要6080dB以上，因此，中频放大器通常由多级调谐放大器组成。中频放大器是超外差接收机的重要组成部分。接收机的主要技术指标，如灵敏度、信噪比、选择性和通频带等，在很大程度上取决于中频放大器的性能。1.1.2 无线电发送与接收设备（5）检波器
8、检波器的主要功能是将中频放大器输出的中频信号解调成音频信号，由此可见，接收设备中的检波器与发射设备中的幅度调制器功能刚好相反，即互为逆变换。（6）低频放大器 低频放大器的功能是将检波器输出的音频信号进行功率放大，使之具有足够的功率以推动扬声器发声。1.1.3 无线电波段的划分 频率从几十千赫至几万兆赫的电磁波都属于无线电波（指载波频率范围大约为1041010H）。在如此宽广的频率范围内，无线电波虽然具有许多共同的特点，但是随着频率的升高，高频振荡的产生、放大和处理方法等都有所不同，特别是无线电波的传播特点不尽相同。为了便于分析和应用，习惯上将无线电的频率范围划分为若干个频段，也叫做波段。它可以
9、按频率划分，也可以按波长划分。1.1.3 无线电波段的划分 无线电波在空间传播的速度是每秒30万公里。电波在一个振荡周期T内的传播距离叫做波长，用符号 表示。波长 、频率f和电波传播速度 的关系可用(1-7)式表示：式中,波长 的单位为米（m）,频率 f的单位为赫兹（Hz）,m/s为电磁波在自由空间中的传播速度。式(1-7)是电磁波的一个基本关系式。CfCTC8103C1.1.4 无线电波的传播 当电磁波自波源（天线）发出后，要经过各种可能的途径到达接收天线，几种主要的传播途径如图所示，它们分别为空间波传播、地波传播和天波传播。空间波传播又称视距传播，如图（a）。在可视距离以内由发射端直接传送
10、到接收端的电磁波称为直射波，而通过地面或四周物体反射到达接收端的电磁波称为反射波。直射波和反射波统称为空间波。由于这种传播方式需要架设高度至少在一个波长以上的天线，这在长、中、短波波段内是困难的。1.1.4 无线电波的传播 电视、微波中继通信、卫星通信及测速定位雷达的电波属于视距传播。空间波能够直射传播，从发射天线发出的电磁波沿直线传播到接收天线，如果接收天线放到卫星上，通信距离可以大大增加，微波中继通信就是通过卫星中继，转发信号来进行通信。由于地球表面是一个曲面，如果天线太低，电波传播时会受到地面的阻挡，发射和接收天线愈高，能够进行通信的距离也愈远。理论计算和实验表明：当发射和接收天线各为5
11、0米时，视距传播的通信距离约为50公里。因此，只有在超短波波段才能采用空间波的传播方式。1.1.4 无线电波的传播（2）地波传播又称表面波传播，如图（b）即电磁波沿地球表面绕射的传播。电波沿地球表面传播时，将有一部分能量被消耗掉。波长越长，损耗越小。长波沿地面绕射传播的本领最强，白天的中波广播就是靠地波传播。由于地面的电性能在较短时间内的变化不会很大，所以，地波传播比较稳定。晚上，电离层对中波的作用减小，这时中波可借天空波传播到较远 的地方，例如某些位于远处的电 台，白天听不到，晚间却听得很 清楚。1.1.4 无线电波的传播（3）无线电波利用电离层的反射和折射传播的电波称为天空波，又称天波，如
12、图（c）。当无线电波遇到电离层时，电磁波会被反射与折射，同时也有一部分被电离层吸收。电离层的电离程度越大，对电波的反射、折射和吸收作用就越强；此外，波长较长的无线电 波容易从电离层反射回到地面，而波长较短的无线电波比较容易 穿过电离层E传播到电离层F，然 后返回地面。1.1.4 无线电波的传播 长波在低电离层(如E层)中受到较强的反射作用。从地面天线辐射出去的长波，受到电离层的反射而折回地面，又将受到地面的反射折回电离层。这样多次反射与折射的结果，可以使长波传播到很远的地方。长波波段主要用于导航和播送标准时间信号，也用于长距离无线电报。短波从高电离层（如F层）反射回地面，又受到地面的反射，又射
13、向天空，向前传播。因此，短波的传播距离可以很远，几乎可达到地球的每个角落。因此，它是国际无线电广播的主要手段。但短波天空波的传播受电离层的影响很大，而电离层的物理特性又是经常变化的，所以短波的传播很不稳定，通常在两点间进行短波通信时，接受信号往往会突然减弱，有时甚至无法接收。1.2 本课程的特点及学习方法 本课程具有以下一些特点，学习时应掌握相应的正确方法。（1）“高频电子技术”以“模拟电子技术”为其主要先修课程，所以读者一定要先牢固掌握“模拟电子技术”中的基本概念、原理、电路组成和坌析方法，才能进一步学好本课程。另外，“信号与系统”课程中的傅里叶频谱分析方法、线性系统的拉氏变换法等有关内容也
14、是“高频电子技术”的理论分析基础。高频电子研究的对象主要是通信电路，通过对通信电路的分析，达到研究通信系统的目的。1.2 本课程的特点及学习方法（2）除了高频小信号放大电路和满足一定条件下的反馈控制电路可以看成是线性电路，采用线性电路的分析方法进行处理外，高频电子技术中的绝大多数功能电路则属于非线性电路。对非线性电路进行严格的数学分析需要建立和求解非线性微分方程，因而是非常困难的，有时甚至是不可能的。本书采用了一些工程上的近似分析和求解的方法，如折线法、幂级数法等。（3）采用计算机辅助设计（CAD）的方法可以对各种功能电路进行近似仿真分析和设计，本书第9章是关于Multisim仿真与测试的练习
15、。此外这方面其他的软件较多，如ADS（Advanced Design System）、PSpice等，读者可以参考有关资料。1.2 本课程的特点及学习方法（4）本课程是一门实践性很强的课程。各种功能电路的理论学习必须和相应的实验结全起来，才能真正领会和掌握，同时也不会感到抽象和枯燥。由于高频电子技术的工作频率较高，受元器件和引线分布参数及各种高频干扰影响较大，因此制作和调试电路时比较困难。（5）在一个通信系统中，各种功能电路相互之间是有一定影响的，所以在分析单个电路的工作原理和性能时，不仅要考虑该电路本身，还要考虑其相邻电路对它的影响，弄清楚该电路在整个系统中的位置和作用。也就是说，要带着系统
16、的观点来看待其中每一个单元电路，这样才能掌握整个系统的工作原理和性能。1.2 本课程的特点及学习方法（6）随着大规模集成工艺和技术的发展，出现了越来越多的高频电子集成电路芯片。然而，在目前的高频系统中，尤其是在接收机的前端和发射机的后端，仍然存在由很多分立元器件组成的电路。另外，集成电路的分析和设计也是建立在分立元器件电路的基础之上的。所以，本书虽然介绍了集成电路为主导来各种功能电路的，但同时也介绍了一些相应的分立元器件电路。本 章 小 结 1通信系统可以简单称为传输信息的系统，是实现信息传递所需的一切设备和传输媒质的总和，它包括信号源、调制器、信道、解调器和终端装置，数字通信系统和模拟通信系
17、统相比，在发送端增加了加密器和编码器，在接收端增加了译码器和解密器。2调幅发送设备包括载波产生电路、调制信号产生电路、幅度调制器和高频功率放大器，它的功能是将调制信号“加载”到载波的幅度上，使载波信号的幅度按调制信号的变化规律而变化。接收设备包括高频放大器、本机振荡器、混频器、中频放大器、检波器和低频放大器，它的主要功能是从高频调幅波中解调出原来的调制信号。本 章 小 结 3根据无线电波的传播特点，将无线电的频率范围划分为若干频段，也叫做波段。当电磁波自波源发出后，要经过各种途径到达接收天线，几种主要的传播途径分别为空间波传播、地波传播和天波传播。4本课程是一门实践性很强的课程，在学习中要加强
18、实验和实习，通过实践性环节来加强对理论的认识。思考题与习题 1 为什么无线电通信中要进行调制？什么叫调幅？2 在无线电通信系统中，发送设备由哪几部分组成？3 在无线电通信系统中，接收设备由哪几部分组成？4 在发送设备中，调制器的作用是什么？5 在接收设备中，检波器的作用是什么？6 电视信号的频带宽度约有6兆赫，为什么不能直接从天线发射出去？为什么要把它调制到几十兆赫的高频上去呢？7 北京电视台的载波频率是57.75兆赫，问它的波长是多少米？8 电磁波的传播途径有哪几种？谢谢大家!第2章 高频电路基础谐振回路谐振回路2.1非线性电子线路的基本概念非线性电子线路的基本概念2.2频率变换和混频电路频
19、率变换和混频电路2.3 第2章 高频电路基础2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 1并联谐振回路阻抗频率特性 并联谐振回路如图2-1所示。图（a）中，r 代表线圈L 的等效损耗电阻，RP 为图（b）的等效电阻。由于电容器的损耗很小，略去其损耗电阻。为电流源，为并联 回路两端输出电压。由图2-1可知并联谐 振回路的等效阻抗为：SIOU 由图（a）可得 （2-1）由图（b）可得 （2-2）（2-3）CjLjrCjLjrIUZSO/1)/1)(LjCjRZP111PRLC11arctan2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 在实际电路中
20、，通常 r很小，满足r ，因此，式（2-1）可近似为 （2-4）当 时，回路产生谐振，由式（2-4）可知并联谐振回路在谐振时其等效阻抗为纯电阻且为最大，可用符号 表示，即 （2-5）并联谐振回路的谐振频率 或 （2-6）L)/1(/CLjrCLZCrLRZPLC10LCf210LC/12.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 在 LC谐振回路中，为了评价谐振回路损耗的大小，常引入品质因数 Q，它定义为回路谐振时的感抗（或容抗）与回路等效损耗电阻r 之比，即 （2-7）式（2-4）代入式（2-7），则得 （2-8）一般LC谐振回路的Q值在几十到几百范围内，Q值愈大，回
21、路的损耗愈小，其选频特性就愈好。将式（2-8）代入式（2-5）可得 （2-9）rCrLQ00/1rCLQ/CLQrQrrrCLrCLRp2/2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 将式（2-5）、式（2-6）和式（2-7）代入式（2-4），则得并联谐振回路阻抗频率特性为 （2-10）通常，谐振回路主要研究谐振频率 附近的频率特性。由于 十分接近于 ，故可近似认为 2，2，并令 ，则式（2-10）可写成 （2-11）)(1)(1/)1(100000jQRrLjRrCLjRZPPP000000021jQRZP2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的
22、选频特性 其幅频特性和相频特性分别为 （2-12）（2-13）2021QRZP)2arctan(0Q2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性 根据式（2-12）和式（2-13）可作出并联谐振回路阻抗幅频特性和相频特性曲线，如图2-2（a）、（b）所示。图2-2 并联谐振回路阻抗频率特性曲线（a）幅频特性曲线 （b）相频特性曲线 2.1.1 2.1.1 并联谐振回路的选频特性并联谐振回路的选频特性2并联谐振回路的通频带和选择性并联谐振回路的通频带和选择性（1）电压谐振曲线 上面已求得并联谐振回路的阻抗频率特性。当维持信号源 的幅值不变时，改变其频率，并联回路两端电压
23、的变化规律与回路阻抗频率特性相似。由图2-1可知，并联回路两端输出电压 等于 （2-14）将式（2-11）代入式（2-14），则得 （2-15）SI0UZIU000002121ffjQUjQRIUPPS 用 对式（2-15）两边相除并取模数，即得并联谐振回路输出电压幅频特性（归一化谐振函数）为 （2-16）输出电压相频特性为 （2-17）根据式（2-16）和式（2-17）可以给出并联谐振回路以失调量 表示的幅频特性和相频特性曲线，如图2-3（a）、（b）所示。由图可见,Q值越大，幅频特性曲线越尖锐，相移特性曲线越陡峭。PU200211ffQUUP)2arctan(0ffQf2并联谐振回路的通频
24、带和选择性并联谐振回路的通频带和选择性 图2-3 并联谐振回路幅频特性和相频特性曲线 （a）幅频特性 （b）相频特性（2）通频带 当占有一定频带的信号在并联回路中传输时，由于幅频特性曲线的不均匀性，输出电压便不可避免地产生频率失真。为了限制谐振回路频率失真的大小而规定了谐振回路的通频带。图2-4 并联谐振回路的通频带和选择性2并联谐振回路的通频带和选择性并联谐振回路的通频带和选择性（3）选择性 选择性是指回路从含有各种不问频率信号总和中选出有用信号、排除干扰信号的能力。由于谐振回路具有谐振特性，所以它具有选择有用信号的能力。回路的谐振曲线越尖锐，对无用信号的抑制作用越强，选择性就越好。2并联谐
25、振回路的通频带和选择性并联谐振回路的通频带和选择性2.1.2 串联谐振回路的选频特性 图2-5是LC 串联谐振回路的基本形式，其中 是电感 的损耗电阻。由图可知并联谐振回路的等效阻抗为CjLjrCjLjrIUZO11图2-5 LC串联谐振回路 2.1.3 阻抗变换电路 1信号源及负载对谐振回路的影响信号源及负载对谐振回路的影响 图2-7（a）所示为实用的并联谐振回路,图中 为信号源内阻，为负载电阻。由图2-7（a）可写出、串联电路的导纳为2222221LrLjLrrLjrY （a）电路 （b）等效电路 （c）简化电路 图 2-7 实用并联谐振回路 当r 时，,所以，上式可近似为 （2-27）可
26、见，式（2-27）可以看成一个电阻与电感L的并联电路。由于谐振回路通常研究在谐振频率附近的特性，所以式（2-27）中的 近似等于 （2-28）2222221LrLjLrrLjrYL22222LLr2222LLjLrYrL/22pRCrLrLrL22022 2.1.3 阻抗变换电路 由此可见，将并联谐振回路中电感与电阻串联电路变换成电感与电阻并联电路时，在 r1时，普通调幅信号波形图4.2.1 普通调幅（AM）将式（4-6）利用三角函数公式展开得 （4-10）由上式可见，普通调幅信号 的频谱包括三种频率分量：（载波）、（上边频）、（下边频）()AMcmcacmcutU costm U cos t
27、Cost11()()22cmcacmcacmcU cos tmU costmU cost()AMutccc4.2.1 普通调幅（AM）图4-7 一般调制信号的频谱图cmax cminc+min c+maxmin maxBW基带频谱上边带下边带4.2.1 普通调幅（AM）从频谱图可以看出，原调制信号频带宽度为 ，普通调幅信号将调制信号频谱搬移到载波的上下两边了，频带宽度 2AMBW 4.2.1 普通调幅（AM）3.普通调幅信号的功率关系普通调幅信号的功率关系 由式（4-10）可求得载波和上下边频在单位电阻上的平均功率 载波功率 （4-11）边频功率 （4-12）调制信号在一个周期内的平均功率21
28、2ccmpU2211224aSBcmacSBmPPUmp下上4.2.1 普通调幅（AM）（4-13）当 1时，包含有用信息的上下边频功率只占总功率的1/3,不含有用信息的载波功率占总功率的2/3。实际应用中调幅系数是小于1的。因此，AM调制能量利用率是很低的。目前AM制式主要应用于中、短波无线电广播系统中，因为普通AM制式的解调电路简单。cSBSBppPP下上2112capmam 4.2.2双边带调幅信号（DSB）双边带调幅信号数学表达式为 （4-14）即 （4-15）()()()DSBcutKu t utcmcmKU costUcos t11()()()22DSBacmcacmcutKmU
29、costKmU cost 4.2.2双边带调幅信号（DSB）双边带调制实质为一乘法器，其电路模型如图 图4-8 DSB信号产生电路模型uDSB(t)uc(t)u(t)4.2.2双边带调幅信号（DSB）4.2.2双边带调幅信号（DSB）从上面频谱图可以得知，双边带调制信号的频谱宽度为 (4-16）双边带调幅同普通调幅比较有以下特点:2DSBBW 4.2.2双边带调幅信号（DSB）1.从波形图上看，DSB调幅信号包络线不按调制信号规律变化，而AM调幅信号的包络线按调制信号规律变化 2.从高频相位上看，DSB波高频相位在调制信号过零点前后，相位发生的突变。3.从频谱图上看，DSB调幅信号不含载波分量
30、，发射机有效功率利用率高，而AM调幅信号含有载波分量。发射机有效功率利用率低。4.从频域上看，DSB调幅信号和AM调幅信号带宽相同，均为 ，所以，信道的利用率仍然是不经济的。2BW 4.2.3单边带调幅信号（SSB）由式（4-15）可得SSB调幅信号数学表达式为 取上边带时 (4-17）取下边带时 (4-18）1()()2SSBacmcutKm Ucost 1()()2S S BacmcutK m Uco st 4.2.3单边带调幅信号（SSB）从式(4-17)和式(4-18）看，单频调制时，SSB信号是等幅波。其幅值与调制信号的幅值成正比，它的频率随调制信号变化而变化。因此它含有信息特征。如
31、图4-10所示为SSB调幅信号的波形图和频谱图。4.2.3单边带调幅信号（SSB）.图4-10 SSB调幅信号的波形图和频谱图4.2.3单边带调幅信号（SSB）单边带调幅的带宽为 (4-19）单边带调幅电路有两种实现方法 滤波法 移相法 SSBBW 4.2.4 残留边带调幅信号（VSB）单边带调幅方式有其优点，但也存在接收机解调电路复杂、调谐困难等缺点。为克服这些困难，提出了残留边带调幅方式。所谓残留边带调幅（VSB）是指发送信号中包括一个完整边带、载波及另一个边带的小部分(即残留一小部分)。maxccmaxc（a）（b）（c）maxcc6cMHzccmaxccmaxcc6cMHz6cMHz
32、4.2.5 幅度调制电路识读图4-18MC1596构成的普通调幅电路 4.3角度调制原理与特性 4.3.1 概述 角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制是用调制信号控制载波信号的频率或相位来实现调制的 角度调制信号与幅度调制信号相比，要占据更多的频带宽度 4.3.2 调频信号分析 设载波信号表达式为 （4-22)为载波的振幅 为载波的瞬时相位 为其角频率，是一常数 0()cos()ccmcu tUtcmU0ctc4.3.2 调频信号分析 为载波的初相位，为简化分析，常令 0。设单音频调制信号为 (4-23)根据调频的定义，载波信号的瞬时频率随调制信号 线性变化，可写
33、出 (4-24)00tCosU)t(um()ut()()cftut()ct4.3.2 调频信号分析 为与调频电路有关的比例常数，单位是rads.v 又称为调频灵敏度 表示瞬时频率的线性变化部分，称为瞬时频偏，简称角频偏。用 表示其最大值，则 (4-25)f()tmmax()mfut4.3.2 调频信号分析 表示瞬时角频率偏离中心频率的 最大值。习惯上把最大频偏 称为频偏。根据瞬时相位与瞬时角频率的关系可知，对式(4-24)积分可得调频波的瞬时相位 (4-26)(4-27)表示调频波瞬时相位与载波信号相位的偏移量，简称相移 mcm000()()()()tttfcfcftt dtutdttut d
34、t0()()tfftut d t4.3.2 调频信号分析 调频波的数学表达式为 (4-28)以上分析表明，在调频时，瞬时角频率的变化与调制信号成线性关系，瞬时相位的变化与调制信号积分成线性关系。设调制信号为单音频 (4-29)0cos()cos()tFMcmcfcmcfuUttUtu t dt()mutUCost4.3.2 调频信号分析 将上式分别代入式(4-24)、（4-26）、(4-28)得 瞬时角频率 (4-30)瞬时相位 (4-31)调频信号数学表达式()coscfmtk Utcoscmt()sinfmck Utttsincftmt4.3.2 调频信号分析 (4-32)为调频波的最大相
35、移，又称调频指数。值可大于1 给出了调制信号、瞬时频偏、瞬时相偏、对应的波形图 cos(sin)FMcmcfuUtmtfmmfk Umfm4.3.2 调频信号分析图4-19调频信号的波形图 4.3.3 调相信号分析 根据调相波定义，载波信号的瞬时相位随调制信号 线性变化，即 (4-33)式中，为与调相电路有关的比例常数，单位是radv。令 ，则表示瞬时相位中与调制信号成线性变化的部分，称为瞬时相位的相位偏移量，简称相移。用 表示最大相移，则()cospcpmttk Utpk()cosppmtkUtpm4.3.3 调相信号分析 (4-34)称 为调相波的调相指数 根据瞬时频率和瞬时相位之间的关系
36、可知，对式(4-33)两边求导，可得调相波的瞬时频率 (4-35)调相波数学表达式为 max()ppmkutpm()()()pcpdtduttkdtdt4.3.3 调相信号分析 (4-36)将单音频调制信号分别代入式(4-33)、(4-35)、(4-36)得调相波cos()pMcmcpuUttcos()cmcpUt k u t4.3.3 调相信号分析 相移 (4-37)角频偏 (4-38)数学表达式 (4-39)()cosppmtk UtcosPmt()sinpptmtcos(cos)pMcmcpuUtmt 4.3.4 调角信号频谱及频带宽度 以调频信号的数学表达式说明调角信号的频谱结构特点
37、（4-40）将上式展开为傅立叶级数，省略级数展开时所涉及的数学推导，可得到调频波的展开式：（4-41）cos(sin)FMcmcfuUtmtncfncmFMt)n(Cos)m(JU)t(u4.3.4 调角信号频谱及频带宽度 所谓窄带调频是指最大频偏小于基带频率 所谓宽带调频是指最大频偏大于基带频率 基于调频波频谱结构的特点，调角信号的有效频谱宽度，可由卡森（Carson）公式给出：调频波 （4-41）调相波 （4-42）2(1)CRfBWmF2(1)CRPBWmF 4.3.5调频信号的产生方法 1.直接调频法直接调频法图4-23变容二极管符号和特性曲线0图4-24 变容二极管直接调频原理图4.
38、3.5调频信号的产生方法 2.间接调频法间接调频法图4-25 间接调频法原理框图 4.3.6 调频电路识读 产生调频信号的电路叫频率调制器，简称调频器 1.调频电路的质量指标调频电路的质量指标（1）调制特性 （2）调制灵敏度 （3）中心频率稳定度 （4）频偏 4.3.6 调频电路识读 2.变容二极管直接调频电路变容二极管直接调频电路（1）变容二极管馈电电路 图4-26 变容二极管馈电电路4.3.6 调频电路识读图4-27 变容二极管馈电等效电路（a）直流馈电等效电流 (b)调制信号馈电等效电路4.3.6 调频电路识读（2）变容二极管直接调频电路 输出调制信号偏 置 电压图4-28变容二极管直接
39、调频电路4.3.6 调频电路识读输出调制信号偏置电压图4-28变容二极管直接调频电路4.3.6 调频电路识读（3）晶体振荡器直接调频电路 4.3.6 调频电路识读4.3.6 调频电路识读（4）变容二极管间接调频 图4-32变容二极管间接调频电路调制信号输入调相波输出载波信号输入9V（a）（b4.4 数字信号调制原理与特性 4.4.1 概述 4.4.2 数字基带信号表示方法 表示数字基带信号常用两种方法：一种是波形图法 另一种是数学表达式法 由于数字基带信号可以是二进制数，也可以是多进制数，不同进制所对应的信号波形是不相同的。这里仅以二进制数为例，说明如何用波形法表示数字基带信号。4.4.2 数
40、字基带信号表示方法 单极性波形和双极性波形 图4-33(a)所示的是用单极性波来表示二进制数，其特征是宽度为Tb的码位有两种状态，即低电平和高电平，高电平用平数字“1”表示，低电平用数字“0”表示；而且电压脉冲都是正的，这种二进制数的脉冲属单极性波。4.4.2 数字基带信号表示方法图4-33 二元信号波形 1 0 1 1 0 1ux(t)0tTb(a)(b)ux1(t)t04.4.2 数字基带信号表示方法 图4-33(b)用正电平表示“1”，而负电平表示“0”，这种用正负两种脉冲表示二进制数的方法，称为双极性波。4.4.2 数字基带信号表示方法 以基带信号为单极性波时进行说明。定义函数 式中T
41、b为脉冲宽度，上式表明只有自变量t在0tTb范围内时，g(t)才等于1，除此之外都等于零，可见g(t)描述的是一个1Tb之间的脉冲 1 0t 时，三极管才导通，基极和集电极才有电流通过。图5-2（a）、(b)所示为晶体管集电极电流和集电极电压波形图。0 180 晶体管工作状态可分为 iuBEuonU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 180，为甲类工作状态 90，为乙类工作状态 BEonuU0()cBEoniG uU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 (5-14)(5-15)由式(5-14)和式(5-15)可得 （5-16）将式（5-16）代入（5-13）（5-17）BEBBimuUU Cos
42、 tcosCECCcmuUUtC CC EBEBBbmcmUuuUUUCCCEcBBbmoncmUuiG UUUU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 在输出特性图中，表示输出电压随集电极电流变化的轨迹线称为动态线，又称为谐振功率放大器的交流负载线。如图5-7所示。直线AB即为动态线。动态线作法是：在轴上取点 ，即令 ，得 ，再令 ，得为图中的 点。最后将 点和 点相连，并向上延长与 的输出特性曲线相交于 点，则直线 便是谐振功率放大器的交流负载线。CEu0ci B BonC EC CcmbmUUuUUUCECCuUQQBmaxBEBEBBbmuUUUAAB5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5
43、-7 谐振功率放大器的动态线及集电极电流波形图5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 注意：在丙类工作状态时，本身为负值，Q点对应的 为负值，实际上是不存在的电流，仅是用来确定工作点Q的位置。1.负载特性负载特性 若 、三个参数固定不变，放大器的交流负载线、以及 、等性能指标随负载电阻 变化的特性称为放大器的负载特性。BBUciciBBUCCUbmUcmU0pPR5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5-8 三种不同斜率情况下的工作状态及波形分析、5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 在欠压状态时，基本电压幅度较小，电路的功放作用未能充分发挥；而在过压状态时，电流脉冲出现凹陷，集电极基波分量下降，并且
44、谐波分量明显加大，这对高频功放是不利的。通常丙类谐振功率放大器选择在临界状态工作，以获得较大输出功率和较高效率。5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 2.放大特性放大特性 若 、三个参数固定不变，激励电压 变化，此时输出电压 以及 、等性能指标随之变化的特性称为放大器的放大特性。BBUCCUPRcmU0p5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5-10 放大特性分析5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 3.调制特性调制特性 （1）基极调制特性。图5-11 基极调制特性5.2.2 丙类谐振功放的工作原理（2）集电极调制特性。图5-12 集电极调制特性5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 4.小结小结(1)
45、如果对等幅信号进行功率放大，应使功放工作在临界状态，此时输出功率最大，效率也接近最高。如对第三章介绍的调频信号进行功率放大。（2）如果对非等幅信号进行功率放大，应使功放工作在欠压状态，但线性较差。若采用甲类或乙类工作，则线性较好。如对第三章介绍的调幅信号进行功率放大。（3）丙类谐振功放在进行功率放大的同时，也可进行振幅调制。如果调制信号加在基极偏压上，功放应工作在欠压状态；如果调制信号加在集电极电压上，功放应工作在过压状态。5.3 谐振功率放大电路 5.3.1 直流馈电电路 1.馈电原则馈电原则 由于集电极电流为尖顶脉冲波，包括直流分量、基频及各次谐波分量，所以谐振功放的集电极馈电电路，应保证
46、直流分量直接加至晶体管c、e两端，以便直流电源提高的直流功率前部交给晶体管；其次应使基频分量流过谐振回路产生输出功率，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；同时还应有效地滤除高次谐波分量。5.3.1 直流馈电电路 谐振功放的基极馈电电路组成原则与集电极馈电电路相访 第一，基极的偏置电源直接加到晶体管b、e两端 第二，基极电流中的基波分量只流过输入端激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大 5.3.1 直流馈电电路 2.集电极馈电电路集电极馈电电路5.3.1 直流馈电电路 所谓串馈或并馈，只是电路结构形式不同，对于电压而言，无论是串馈还是并馈，直流偏压与交流电压总是串联迭加的 3.基
47、极馈电电路基极馈电电路 基极直流馈电也分串馈和并馈两种方式 5.3.1 直流馈电电路图5-14 基极馈电电路5.3.1 直流馈电电路 图5-15给出了几种基极馈电电路，均为自给偏压式。图5-15 自给偏压式基极馈电电路 5.3.2 输出匹配网络图5-16高频功率放大器的匹配网络示意图5.3.2 输出匹配网络 这一网络需要完成的主要任务是 （1）实现阻抗变换，将实际的负载阻抗转换为放大电路所要求最佳阻抗，以保证放大器传输到负载的功率最大，即起到匹配网络的作用（2）抑制工作频率之外的不需要的各次谐波分量，选出所需要的基波成分。即具有良好的滤波作用 （3）完成高效率的信号传输，即要求匹配网络本身的损
48、耗尽可能地小5.3.2 输出匹配网络 常用的输出匹配网络 1.LC并联谐振回路 图5-17并联谐振回路型输出匹配网络5.3.2 输出匹配网络 2.滤波器型匹配网络（1）串、并联阻抗变换 （5-18）串、并联阻抗变换公式 （5-19）111PPSSRjXRjX22(1)1(1)PSePSeRRQXXQ5.3.2 输出匹配网络 式中 （5-20）（2）L型匹配网络SPeSPXRQRX图5-19 型网络的阻抗变换5.3.2 输出匹配网络 令 ,即电抗部分抵消，回路两端呈现纯电阻 ，其值由式（5-19）和式（5-20）可求得为 （5-21）（5-22）图5-19中的 相当于式（5-19）和式（5-20
49、）中的 0PPXX0R20(1)PeRRQ0000()SeLLLLPeLXQ RRRRRRXRQRRLRSR5.3.2 输出匹配网络 需要说明，由于 为正值，因此 型匹配网络只能适用于 的匹配情况（3）T型和型滤波匹配网络eQL0RLR5.3.2 输出匹配网络 对于型滤波匹配网络，可以将其分成两个 型网络，如图5-21所示。然后利用 型网络计算公式，经整理可得到计算公式 LL5.3.2 输出匹配网络 图5-21中的第二个 型网络与图5-19（a）完全相同，可以直接得计算公式 （5-23）（5-24）L22(1)PLeRRQ22()SLPLLPPPLXRRRRXRRR5.3.2 输出匹配网络 图
50、5-21（a）中的第一个 型网络与图5-19（a）是相反的，可将 视为 ,利用公式得 （5-25）（5-26）L0RLR201(1)PeRRQ010100()PPPSPRXRRRXR RR5.3.2 输出匹配网络 型滤波匹配网络如图5-22（a）所示，分析过程也是将 型网络分成两个基本的 型网络 L图5-22 型网络的阻抗变换 5.3.3 谐振功率放大电路识读 图5-23 160MHz谐振功率放大器电路5.3.3 谐振功率放大电路识读 如图5-24所示是一个工作频率为175MHz场效应管谐振功率放大器电路。它可向50的外接负载提供10W功率，效率达60以上。栅极采用并馈，漏极采用串馈。5.3.
