1、高频电路原理与分析精品课件第高频电路原理与分析精品课件第1章章2023-1-232v选用教材：v?高频电路原理与分析第四版?，曾兴雯等，西安电子科技大学出版社，2006v参考书v?电子线路非线性部分?，谢嘉奎等，高等教育出版社，2000v?高频电子线路?，张肃文 高等教育出版社，2004v?高频电子线路?，杨霓清，机械工业出版社，2007v?高频电子线路第二版?，高桔祥，电子工业出版社，2007v?通信电路原理?，董在望，高等教育出版社，20022023-1-233v课程目的：v 高频电子线路是电子、通信类各专业的一门主要专业根底课，课程目的是通过对高频条件下电子元器件和特性参数的再认识，以及
2、对选频传输网络、高频小信号谐振放大、高频谐振功率放大、非线性器件的应用、信号的调制与解调、频谱变换技术和锁相环技术等的教学，使学生掌握根本的高频电路非线性电子线路或通信电子线路特点、构造、原理和分析方法，为后续专业课程打下必要的根底。2023-1-234HX108-2七管半导体收音机七管半导体收音机原理图原理图v 0.180.22 mA0.40.8 mA12 mA35 mA410 mAC15100V69013HC11223R111K+B7B6R1051KC14100R12 220+B5V59014V49018HV39018HR662KB4V29018HR420KB3C13223R1324KB2
3、R1100KD1 D2IN4148V19018HR3100C1AR8 1KC1BC2223C3103R22KC1 CBM223PC44.7C5223C6223C7223R751C8223C9223R9680+C104.7W5KD3IN4148C12223V79013HKY8DC3V红黄白黑B1R51502023-1-235HX108|2装装配配图图2023-1-236v先修课程：v?高等数学?、?电路根底?、?低频电子线路?v电路分类低频模拟电路电子线路高频数字电路线性电路电子线路非线性电路2023-1-237v教学内容v第1章 绪论v第2章 高频电路根底v第3章 高频谐振放大器v第4章 正弦
4、波振荡器v第5章 频谱的线性搬移电路v第6章 振幅调制、解调与混频v第7章 频率调制与解调v第8章 反响控制电路v第9章 高频电路的集成化与EDAv学时安排v 授课学时：54学时 实验学时：18学时2023-1-238v?高频电路原理与分析?课程所涉及的相关理论、技术在通信工程中的详细应用举例：v 频谱资源的分配、管理、开发与应用。频分复用、时分复用等v信号的频谱搬移及频谱(构造)变换。调制、解调及变频应用v无线电信号发送与接收。高频谐振功率放大与弱小信号的选择放大v扩频通信技术(Spread Spectrum Communication Technology包括数字调制与解调应用 2023-
5、1-239考核方式v平时成绩：=70%2023-1-2310第第1章绪论章绪论1.1 无线通信系统概述无线通信系统概述 1.2 信号、信号、频谱与调制频谱与调制 1.3 本课程的特点本课程的特点考虑题与习题考虑题与习题2023-1-23111.1 无线通信系统概述无线通信系统概述1.1.1 无线通信系统的组成无线通信系统的组成 典型的无线通信系统根本组成方框图典型的无线通信系统根本组成方框图发信机收信机2023-1-2312话筒和扬声器属于通信的终端设备，分别为信源和信宿。音频放大器分别是为放大话筒输出信号和推动扬声器工作而设置的，属低频部件，本书不讨论。调制：低频高频；改变信号的某个参数。解
6、调检波：高频低频(调制的逆过程)。变频：已调制信号的频率假设不够高，可根据需要进展倍频或上混(变)频；假设幅度不够，可根据需要进展假设干级(通常有预放、鼓励和输出三级)放大，经天线辐射出去。接收机一般都采用超外差的形式，在通过高频选频放大(初步的选择放大并抑制其它无用信号)后进展下混(变)频，取出中频后再进展中频放大(主选择放大，具有较大的放大增益和较强的滤波才能)和其它处理，然后进展解调。2023-1-2313发送设备主要完成调制、上变频、功率放大和滤波等功能。发送设备存在的两种变换：将信源产生的原始信息变换成电信号，该信号的频谱通常靠近零频附近，属于低频信号，称为基带(Baseband)信
7、号；调制(Modulating)，是将基带信号变换成合适在信道中传输的信号形式(一般为射频或高频的带通信号)。调制后的信号称为已调信号(Modulated Signal)，调制之前的基带信号也可称为调制信号(Modulating Signal)。调制时还需要一个高频振荡信号，称为载波(Carrier)，它可由高频振荡器(Oscillator)或频率合成器(Frequency Synthesizer)产生。载波通常为单一频率的正弦信号或脉冲信号。2023-1-2314接收设备的任务主要是有选择地放大空中微弱电磁信号(同时要尽可能保证信息的质量)，并恢复有用信息。在接收设备中有相应的两种反变换。将
8、接收到的已调信号变换(恢复)为基带信号的过程称为解调解调(Demodulating)，把实现解调的部件称为解调器(Demodulator)。解调时一般也需要一个本地的高频振荡信号，称为恢复载波(或插入载波)。有时将收发设备中的调制器和解调器合称为调制解调器(Modem)。2023-1-23152023-1-2316 第一章绪论第一章绪论2023-1-2317 第一章绪论第一章绪论2023-1-2318由上面的例子可以总结出无线通信系统的根本组成，从中也可看出高频电路的根本内容应该包括:(1)高频振荡器(信号源、载波信号或本地振荡信号)；(2)放大器(高频小信号放大器及高频功率放大器)；(3)混
9、频或变频(高频信号变换或处理)；(4)调制与解调(高频信号变换或处理)。2023-1-2319在无线通信系统中通常需要某些反响控制电路，这些反响控制电路主要是自动增益控制(AGC)或自动电平控制(ALC)电路，自动频率控制(AFC)电路和自动相位控制(APC)电路(也称锁相环PLL)。此外，还要考虑高频电路中所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。需要说明的是，虽然许多通信设备可以用集成电路(IC)来实现，但是上述的单元电路通常都是由有源的和无源的元器件构成的，既有线性电路，也有非线性电路。这些根本单元电路的组成、原理及有关技术问题，就是本书的研究对象。2023-1-232
10、01.1.2 无线通信系统的类型无线通信系统的类型(1)工作频段或传输手段：中波通信 短波通信 超短波通信 微波通信 卫星通信2023-1-2321(2)通信方式(全)双工。双工通信是一种可以同时收发的通信方式半双工。半双工通信是一种既可以发也可以收但不能同时收发的通信方式；单工方式。所谓单工通信，指的是只能发或只能收的方式；(3)调制方式调幅、调频、调相、混合调制等。2023-1-2322(4)消息类型 模拟通信 数字通信(5)业务类型：话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。2023-1-2323三种信号：基带信号、载波信号、已调信号1.时间特性一个无线电信号，可以将它表示为电压或电流
11、的时间函数，通常用时域波形或数学表达式来描绘。对于较简单的信号(如正弦波、周期性方波等)，用这种方法表示很方便。无线电信号的时间特性就是信号随时间变化快慢的特性。信号的时间特性要求传输该信号的电路的时间特性(如时间常数)与之相适应。1.2 信号、频谱与调制信号、频谱与调制2023-1-23242.频谱特性频谱特性对于较复杂的信号(如话音信号、图像信号等)，用频谱分析法表示较为方便。这是因为任何形式的信号都可以分解为许多不同频率、不同幅度的正弦信号之和，如图1-4所示。图中实线为一重复频率为F的方波脉冲信号，点划线为该脉冲信号的直流分量，短虚线为其基波分量，长虚线为其直流分量、基波分量和三次谐波
12、分量之和。谐波次数越高，幅度越小，影响就越小。2023-1-2325 v 2023-1-2326图 1-4 信号分解 2023-1-2327图 1-5 频谱图2023-1-2328对于周期性信号，可以表示为许多离散的频率分量(各分量间成谐频关系)；对于非周期性信号，可以用傅里叶变换的方法分解为连续谱，信号为连续谱的积分。频谱特性包含幅频特性和相频特性两部分，它们分别反映信号中各个频率分量的振幅和相位的分布情况。12j tj tFjf t edtf tFjed（傅里叶变换）（傅里叶逆变换）2023-1-2329v举例：0,0,0tttf teu tet指数衰减信号 002211arctanjtt
13、j tFeedtedtjF 2023-1-2330 1G220,t，-t门函数其他 222212Gsin2j tj tj tFt edtedtej-2023-1-2331任何信号都会占据一定的带宽。从频谱特性上看，带宽就是信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频率范围或频带宽度。不同的信号，其带宽不同，比方，话音的频率范围大致为100 Hz6 kHz，其主要能量集中在300 Hz3.4 kHz。射频频率越高，可利用的频带宽度就越宽，不仅可以包容许多互不干扰的信道，从而实现频分复用或频分多址，而且也可以传播某些宽频带的消息信号(如图像信号)，这是无线通信采用高频的原因之一。2023-1-2
14、3323.频率特性频率特性任何信号都具有一定的频率或波长。我们这里所讲的频率特性就是无线电信号的频率或波长。电磁波辐射的波谱很宽，如图 1-6 所示。2023-1-2333 图 1-6 电磁波波谱2023-1-2334无线电波只是一种波长比较长的电磁波，占据的频率范围很广。在自由空间中，波长与频率存在以下关系:c=f (1-1)式中:c为光速，f和分别为无线电波的频率和波长，因此，无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进展分段，分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同，传播的才能和方式也不同，因此它们的分析方法和应用范围也不同。表 1-1 列出了无线电波
15、的频(波)段划分、主要传播方式和用处等。表中关于传播方式和用处的划分是相对而言的，相邻频段间无绝对的分界限。2023-1-23352023-1-2336应当指出，不同频段的信号具有不同的分析与实现方法，对于米波以上(含米波，1 m)的信号通常用集总(中)参数的方法来分析与实现，而对于米波以下(1 m)的信号一般应用分布参数的方法来分析与实现，当然，这也是相对的。另外，从表中可以看出，频段划分中有一个“高频段，其频率范围为330 MHz，这是“高频的狭义解释，它指的就是短波频段。本课程涉及的波段可从中波到微波波段。2023-1-23374.传播特性传播特性无线通信的传输媒质主要是自由空间。频率或
16、波长不同，无线通信的传输媒质主要是自由空间。频率或波长不同，电磁波在自由空间的传播方式也不同。传播特性指的是无线电磁波在自由空间的传播方式也不同。传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播间隔电信号的传播方式、传播间隔、传播特点等。无线电信号的、传播特点等。无线电信号的传传播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。播特性主要根据其所处的频段或波段来区分。电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，电磁波从发射天线辐射出去后，不仅电波的能量会扩散，接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电接收机只能收到其中极小的一部分，而且在传播过程中，电波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或
17、反射，或波的能量会被地面、建筑物或高空的电离层吸收或反射，或者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机者在大气层中产生折射或散射等现象，从而造成到达接收机时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象，时的强度大大衰减。根据无线电波在传播过程所发生的现象，电波的传播方式主要有直射电波的传播方式主要有直射(视距视距)传播、绕射传播、绕射(地波地波)传播、折传播、折射和反射射和反射(天波天波)传播及散射传播等，如图传播及散射传播等，如图 1-7 所示。决定传播所示。决定传播方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。方式和传播特点的关键因素是无线电信号的频率。2023-1-2338
18、图1-7 无线电波的主要传播方式(a)直射传播；(b)地面绕射传播；(c)电离层反射传播；(d)对流层散射传播2023-1-2339一般来讲，无线电信号的辐射是多方向的。由于地球是一个宏大的导体，电波沿地面传播(绕射)时能量会被吸收(趋肤效应引起)，通常是波长越长(或频率越低)，被吸收的能量越少，损耗就越小，因此，中、低频(或中、长波)信号可以以地波的方式绕射传播很远，并且比较稳定，多用作远间隔 通信与导航。实际上，绕射依赖于电波的波长、物体的体积与形状、绕射点入射波的振幅、相位和极化情况等，当电波的波长大于物体的体积时容易发生绕射。2023-1-2340短波波段的无线电波沿地面传播的间隔 很
19、近，远间隔 传播主要靠电离层。地球外部包裹着厚厚的大气层，在大气层中离地面60600 km的区域称为电离层，它是由于太阳和星际空间的辐射引起大气电离而产生的。电离层从里往外可以分为D、E、F1、F2四层，D层和F1层在夜晚几乎完全消失，因此经常存在的是E层和F2层。电离层对通过的电波也有吸收作用，频率越高的信号，电离层吸收才能越弱，或者说电波的穿透才能越强。因此，频率太高的信号会穿过电离层而到达外层空间。另一方面，电离层也是一层介质，对射向它的无线电波会产生反射与折射作用。入射角越大，越易反射；入射角太小，容易折射。在通常情况下，对于短波信号，F2层是反射层，D、E层是吸收层(因为它们的电子密
20、度小，不满足反射条件)。F2层的高度约250300 km，2023-1-2341所以，一次反射的最大跳距约4000 km。应当指出，由于电离层的状态随着时间(年、季、月、天、小时甚至更小单位)而变化，因此，利用电离层进展的短波通信并不稳定。但由于电离层离地面较高，因此，短波通信还是一种价格低廉的远间隔 通信方式。需要指出，电波的反射传播不只是存在于电离层中。由于电波在不同性质的介质的交界处都会发生反射，因此，当电波遇到比波长大得多的物体时将产生反射，也就是说，反射发生于地球外表、建筑物外表等许多地方。2023-1-2342在离地面大约1012 km范围内的大气层称为对流层，该层的空气密度较高，
21、所有的大气现象(如风、雨、雷、电等)都发生在这一层。散射现象也主要发生在对流层。在这个层中由于大气湍流运动等原因形成的不均匀性就是电波的散射源。散射具有很强的方向性和随机性。接收到的能量与入射线和散射线的夹角有关。散射信号随时间的变化分为慢衰落和快衰落两种，前者决定于气象条件，后者由多径传播引起。散射传播还有一定的散射损耗。散射传播间隔 约为100500 km，合适的频率在4006 000 MHz之间。需要指出，散射是在电波通过的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常大时产生的，因此，散射发生于粗糙外表、小物体或不规那么物体等许多地方。2023-1-2343频率较高的超短涉及其
22、更高频率的无线电波，主要沿空间直线传播。由于地球曲率的原因,直射传播的间隔 有限，通常只能为视距，因此也称为视距传播。当然，直线传播方式可以通过架高天线、中继或卫星等方式来扩大传输间隔。总之，长波信号以地波绕射为主；中波和短波信号可以以地波和天波两种方式传播，不过，前者以地波传播为主，后者以天波(反射与折射)为主；超短波以上频段的信号大多以直射方式传播，也可以采用对流层散射的方式传播。2023-1-23445.调制特性调制特性调制在无线通信中的作用至关重要。无线电传播一般都要采调制在无线通信中的作用至关重要。无线电传播一般都要采用高频用高频(射频射频)的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播
23、。的另一个原因就是高频适于天线辐射和无线传播。只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比较时，天线的辐射效只有当天线的尺寸大到可以与信号波长相比较时，天线的辐射效率才会较高，从而以较小的信号功率传播较远的间隔率才会较高，从而以较小的信号功率传播较远的间隔，接收天线，接收天线也才能有效地接收信号。假设把低频的调制信号直接馈送至天线也才能有效地接收信号。假设把低频的调制信号直接馈送至天线上，要想将它有效地变换成电磁波辐射，那么所需天线的长度几上，要想将它有效地变换成电磁波辐射，那么所需天线的长度几乎无法实现。假如通过调制，把调制信号的频谱搬至高频载波频乎无法实现。假如通过调制，把调制信号的频谱搬至高频
24、载波频率，那么收发天线的尺寸就可大为缩小。此外，调制还有一个重率，那么收发天线的尺寸就可大为缩小。此外，调制还有一个重要作用就是可以实现信道的复用，进步信道利用率。要作用就是可以实现信道的复用，进步信道利用率。所谓调制，就是用调制信号去控制高频载波的参数，使载波所谓调制，就是用调制信号去控制高频载波的参数，使载波信号的某一个或几个参数信号的某一个或几个参数(振幅、频率或相位振幅、频率或相位)按照调制信号的规按照调制信号的规律变化。律变化。2023-1-2345根据载波受调制参数的不同，调制分为三种根本方式，它们是振幅调制(调幅)、频率调制(调频)、相位调制(调相)，分别用AM、FM、PM表示，
25、还可以有组合调制方式。当调制信号为数字信号调制时，通常称为键控，三种根本的键控方式为振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)和相位键控(PSK)。一般情况下，高频载波为单一频率的正弦波，对应的调制为正弦调制。假设载波为一脉冲信号，那么称这种调制为脉冲调制。本课程中主要讨论模拟消息(调制)信号和正弦载波的模拟调制，但这些原理甚至电路完全可以推广到数字调制中去。不同的调制信号和不同的调制方式，其调制特性不同。调制的逆过程称为解调或检波，其作用是将已调信号中的原调制信号恢复出来。2023-1-23461-1 画出无线通信收发信机的原理框图，并说出各部分的功用。1-2 无线通信为什么要用高频信号？“高频信号指的是什么？1-3 无线通信为什么要进展调制？如何进展调制？1-4 无线电信号的频段或波段是如何划分的？各个频段的传播特性和应用情况如何？考虑题与习题考虑题与习题Thank You!
