通信电路沈伟慈第一章

第1章绪论本章主要内容1.1通信系统模型1.1.1通信系统的基本组成1.1.2无线电发射系统的组成及工作原理1.1.3无线电接收系统的组成及工作原理1.1.4无线电系统的通信方式1.2无线信道及无线电波的传播特性1.3本课程的主要内容及特点课程名称的说明通信电子线路、高频电路、射频电路以及非线性电子线路等等。高频与射频概念的区别与联系高频和射频指的都是适合于无线传输和无线发射的电信号。什么电路叫高频呢？高频电路是指能够产生、处理适合于无线传输和无线发射的电信号的电路，高频电路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分。无线系统中常用的术语“射频”，实际上就是高频的广义语。它指的是适合于无线电发射和传播的频率。Question3:究竟什么是高频和射频的上、下限？Answer:射频(RadioFrequency)广义地来说，没有严格的定义。本课本所研究的是f30MHz的电信号，f在30MHz～4G之间就是下学期我们将要学习的射频电路。Note：只要电路尺寸小于8，就可以用“路”的概念来分析电路。与“路”相对应的“场”，将在《电磁波与电磁场》这门课程中学习。值得注意的是，“路”用的是克希霍夫方程,“场”用的是麦克斯韦方程。Question4:“无线发射”的(物理)含义。Question5:如何才能实现有效发射？Answer4:“无线发射”指的是“把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播”。高频电流在天线周围激发同频率的交变磁场，交变磁场又激发起交变电场，交变电场又激发交变磁场，如此反复交叉激发，使电磁能以波的形式传向远方(电磁场与电磁波的课程将讨论这部分内容)。Note：水波：看得见“碧波荡漾”；声波：悠扬的琴声；这些波的传输，需要媒质。电磁波，看不见，但它客观存在。我们常看到电磁污染，事实上，我们就置身于一个充满电磁波的世界里。手机、广播电视、雷达、导航、遥控、遥测等技术领域，它们的共同点就是利用电磁波来传递消息。Question:无线电波在真空中传播的速度？在大气层中传播的速度近似等于光速(smc/)30(1038万公里)，可以认为无线电信号在瞬间即可从接收端达到发送端。通信系统的概念传输信息的系统称为通信系统。通信的任务就是传递各种信息，信息可以是语言、音乐、文字、图像、数据等。任何一个通信系统，都是从一个称为信息源的时空点向另一个称为信宿的目的点传送信息。通信系统是指实现这一通信过程的全部技术设备和信道的总和。无线通信的发展史1837年，莫尔斯(Morse)发明了电报，开创了通信的新纪元；1864年麦克斯韦（Maxwell）发表了著名论文“电磁场的动力理论”，在总结前人工作的基础上，得出了电磁场方程，从理论上预言了电磁波的存在；1876年贝尔（Bell）发明了有线电话，能直接将语音信号变为电信号沿导线传输；1887年，德国物理学家赫兹（Hertz）用实验证实了电磁波的客观存在，验证了麦克斯韦理论的正确性。自此以后，许多科学家都致力于研究如何利用电磁波传输信息的问题，即无线通信。其中有著名的英国科学家罗吉（Lodge）、法国的勃兰利（Branly）、俄国的波波夫和意大利的马可尼（Marconi）等，其中马可尼的贡献最为重要。1895年马可尼首次在几百米距离实现了电磁波通信，1901年又完成了横跨大西洋的无线电通信。从此无线电通信进入实用阶段，无线电技术也就蓬勃发展起来了。通信系统的构成通信系统种类很多，它们的具体设备和业务功能各不相同，但一个完整通信系统的基本组成包括：信息源、输入变换器、发送设备、信道、接收设备、输出变换器和受信者五部分，通信系统的基本组成如图1-1所示。1）信息源是指要传送的原始信息，具有各种不同的形式，如：文字、数据、语音、音乐、图像等，一般是非电量。2）输入变换器或换能器（如：话筒、拾音器、摄像机等）：将信息源输入待传输的信息转换成相应的电信号，这种包含消息的电信号称为基带信号。例如：利用话筒可以把话音转换成与之作相应变化的电信号；利用摄像管可把图像信号转换成与之作相应变化的电信号。3）发射机（发送设备）：将基带信号变换为适合信道传输的高频电信号（该过程称为调制），发射机的主要任务是调制和放大，高频已调电信号经过放大后获得足够的功率，然后被送入信道。变换后的高频信号称为已调信号或频带信号（PassbandSignal）。4）接收机（接收设备）：其功能是从信道接收到的信号恢复成与发射机输入信号一致的基带信号。因信号经信道传输后，难免有噪声干扰的加入，在接收机中必须滤除这些干扰，确保通信质量。5）输出换能器：将接收设备输出的电信号还原成原始信息，如声音、图像等。例如：通过耳机或扬声器把代表话音变化的电信号还原为话音；通过显像管把图像电信号转换成图像信息重现在荧光屏上。6）噪声源：指信道中的噪声及分散在通信系统中所有噪声的集中表示。7）信道：是连接发、收两端的信号通道，又称传输媒质。通信系统的信道有二大类：①有线：架空明线、电缆、波导、光缆、光纤、电话、高压电线。②无线信道：自由空间。如海水、地球表面、自由空间等。不同媒质有不同的传输特性，相同的媒质对于不同频率的信号，其传输特性有所不同。将在后面讨论。通信系统通常要完成两种重要的变换。1）非电信号电信号和电信号非电信号在发送端，将要传输的非电量信号转换成电信号，转换得到的电信号一般由零频附件的直流分量和低频信号组成，称为基带信号（BasebandSignal），其特点是频率低，相对带宽较大，如话音信号带宽300Hz～3400Hz，波长几百千米，天线尺寸与波长可比拟难以实现，所以不适合于无线传输，也不适合于发射。为了实现有效发射和传输就必须进行调制。2）调制的过程使高频载波信号的某一参数(幅度AM、频率FM、相位PM)随着要传输的低频电信号而变化，即实现包含消息的低频信号对高频信号的加载。调制达到的目的：a）天线有效发射。无线通信中的“发射”是指把高频电流转换成电磁波的形式在空间传播。只有馈送到天线上的信号波长与天线尺寸可以相比拟时，天线才能有效发射。代表消息的基带信号通常都是低频信号，其波长远远大于天线尺寸，因此基带电信号电流送到天线上，是不能有效地转换成辐射到远方的无线电波的。比如50Hz的信号，＝6000公里，要有效发射，天线长度要几百千米，这样的天线几乎无法实现。b)实现有效传输。高频具有宽阔的频段，能容纳许多互不干扰的频道，从而传输某些宽频带信号。我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占据一定的带宽。也就是说，代表消息的电信号通常都具有复杂的波形。它含有许多频率分量，因而占有一定的频率范围。单纯的正弦波不携带任何信息。要听懂对方的语音需要传递信号的频率300Hz～3400Hz。这个频段。要传送一个语音信号至少要3kHz的频带。普通电话就是这样设计的，因为电话的声音只能听懂，但不悦耳，也不能逼真。为了相当逼真的传送语音和音乐信号，需占据6～15kHz的带宽。(在调频广播中，其信号频率范围规定为50Hz～15kHz)，这是广播所要求的频率。电视中的图像信号，波形较复杂。它会有宽广的频率分量，图像信号占据的带宽为0～6MHz。一路彩电加上伴音信号要占据8MHz带宽。而一条通信线路一般只能有不超过10％的相对带宽(0ff),其中0f为载波频率，0f越高，则f越大，所能容纳的、互不干扰的信息就越多，传输的信息容量就越大。这就是为什么无线通信要通过调制之后才能进行发射传输的原因。c）实现信道的复用，提高信道利用率。音频信号的频谱分布几乎在同一范围，都集中在20Hz～20kHz。如果直接把反映原始信息的电信号通过天线以辐射电磁波的形式传送，则无法保证同时传送多路信息而又不相互干扰，并且不利于接收端正确区分二路以上的信息，因此必须把要传送的信息分开。下述内容作为了解1)在本课程即将学习的AM、FM中，是通过调制实现频带分离。这种分离信号的方法称为FDMA(频分复用)。2)另一种方法称为时分复用(TDMA)。两个或两个以上的信号共享相同的频带，但在不同的时间段使用。人耳在接收时，可以将不同的时间段结合起来，感觉上就像信号是连续的一样。3)扩展频谱技术称为CDMA(码分多址)。多个用户连续使用一个较宽的频带，然而每个用户发送和接收数据时，使用接收的方式进行编码，以便能够和所有其他用户区分开来。无线电发射系统的组成及工作原理无线电广播调幅发射系统应用及其广泛，图1-2给出调幅发射机原理框图发射机的主要功能是调制、上变频、功率放大和滤波。工作原理:原始信号（语音、图像、数据等）经过换能器转换为电信号，用该低频基带信号对高频载波进行调制，将已调波信号经过功率放大器放大后通过天线发射出去。发射机通常由高频、低频、电源和天线4部分组成。高频部分包括：主振荡器（masteroscillator）：由石英晶体振荡器产生频率稳定的高频振荡；缓冲级（buffer）：实质上是一种吸收功率小、工作稳定的放大级，其作用是减弱后级对主振荡器的影响；倍频器（frequencydouble）：将主振荡器的频率提高到需要的频率值；高频放大器（amplifier）：放大高频信号，以达到推动末级功率放大器的电平；调制器（modulator）：完成低频信号对高频载波信号的加载；末级功率放大器（poweramplifier）：将输出功率提高到所需的发射功率。低频部分将用于实现声电变换，并将音频信号逐级放大到调制所需功率，对高频载波进行调制。低频部分包括声电变换器（话筒）、低频放大器、低频功率放大器。直流电源：给各部分电路提供直流电能。天线：把高频已调信号转换为空间电磁波辐射出去。无线电接收系统的组成及工作原理无线电信号的接收过程与发射过程相反，其根本任务就是准确恢复信息。为了提高灵敏度，目前无线电接收机都采用超外差式，系统方框图见图1-3。无线电接收系统包括选频回路、高频小信号调谐放大器、混频器、本机振荡器、中频放大器、检波器、低频功放和喇叭。超外差接收机工作原理：收天线收到微弱高频调幅信号，经输入回路选频后，通过高频放大器放大，送到混频器与本机振荡器所产生的等幅高频信号进行混频，混频后得到中频信号的包络形状与天线感应输入的高频信号的包络完全相同，经中频放大后送到检波器，检出原调制的低频信号，经功率放大去推动扬声器。超外差接收机(superheterodynereceiver)的主要特点是把天线感应进来的不同已调波信号的载波频率cf，通过混频转换为固定中频If(intermediatefrequency)的已调信号，通常中频频率要比接收信号频率低得多。我国广播收音机的中频为465KHz，电视接收机的图像中频为38MHz。由于中频频率是较低的固定中频，中频放大器的谐振回路在接收机选频时不需要调整，显著提高了接收机整机的选择性和灵敏度。这是无线电设备中的接收机都要用超外差组成方式的原因。无线电系统的通信方式如果通信只在点与点之间进行，那么按消息的传送方向与时间，通信的方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。单工通信是指消息只能单方向进行传输的工作方式，如图1-4（a）所示，如广播、遥控就是单工通信方式；半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但收和发不能同时进行的工作方式，如图1-4（b）所示，使用同一载频工作的对讲机就是按这种通信方式工作的，当一方占用载频发送信息时，另一方只能接收信息；全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，如图1-4（c）所示，普通电话就是最简单的全双工通信方式。无线信道及无线电波的传播特性无线通信信道主要是自由空间。由于地球表面及空间层的环境条件不同，发射的无线电波因其频率或波长不同，传播特性也不相同。传播特性指的是无线电信号的传播方式、传播距离、传播特点等。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率，不同频段的无线电信号都各自有最适宜的传播方式，而传播方式又决定了其传播距离和传播特点。无线电波的传播方式主要有绕射（地波）传播、折射和反射（天波）传播、直射（视距）传播及散