通信引论及收音机

通信引论包含有源器件的电路统称为电子线路。按照工作频率:低频、高频和微波。低频通常指频率低于300kHz的范围，语音的电信号、生物电信号、地震电信号、机械振动的电信号等都属于这个范围。所有在这个频率范围的电信号的产生、放大、变换、处理都属于低频电子线路的范畴。高频通常指频率在300kHz~300MHz的范围，广播、电视、短波通信、移动通信等无线电设备都工作在这个频率范围之内。微波泛指频率高于300MHz以上的范围，卫星电视、微波中继通信、雷达、导航等设备都工作在这个频率范围。一、电子线路的分类“高频”指的是射频（RadioFrequency,RF）,其频率范围非常宽。只要电路尺寸比工作波长小的多，仍可用集中参数来分析实现，都可以认为属于“高频”范围，现阶段“高频”的上限为3GHz按照信号:模拟电子线路和数字电子线路。所有完成模拟信号产生、放大、变换、处理和传输的电子线路统称为模拟电子线路。所有完成数字信号产生、放大、变换、处理及传输的电子线路统称为数字电子线路。集成度:分立元件电路和集成电路。集成电路与分立电路相比，集成电路具有体积小、性能稳定、可靠性高、维修使用方便等优点。但是，由于频率响应和功率容量的限制，目前高频、大功率电子线路还是以分立为主。元件性质:线性电子线路、非线性电子线路线性电路是用线性代数方程、线性微分方程或线性差分方程来描述的。线性电子线路具有线性特性，也就是它具有叠加性和均匀性，适用叠加定理。非线性电路是用非线性代数方程、非线性微分方程、非线性差分方程来描述的。非线性电子线路与线性电子线路不同。通信的目的是传递信息（信号），一切能够完成信息传送功能的系统都可以认为是通信系统。如：电报、传真，----双向通信系统电话（无线或有线）----双向通信系统导航、雷达----单向通信系统广播（无线或有线）----单向通信系统电视（无线或有线）----单向通信系统二、信号基本概念在高频电路中,我们要处理的无线电信号主要有三种:基带（消息）信号、高频载波信号和已调波信号。所谓基带信号,就是没有进行调制之前的原始信号,也称调制信号。在现代通信系统中大多以电（或光）信号的形式出现，因此通常称为电信。传输电信号的媒介可以是有线（有线通信）的也可以是无线（无线通信）的。t2、波形表达方式O信号及其频谱1.数学表达式法)cos()(tUtum由于任何复杂的信号，都可分解为许多不同频率的正弦信号之和，因此，所谓“频谱”即是指组成信号的各正弦分量按频率分布的情况。频谱图。(1)语音信号的频谱图可以看到语音信号的频谱是连续的，其主要能量集中在1000Hz左右，能量主要分布在300Hz～3400Hz之间。电压f/Hz3003400带宽:从频谱特性上看信号能量主要部分(一般为90%以上)所占据的频带。3、频域表示法f1表示脉冲重复频率，也就是基波频率。f3、f5、f7…分别表示三、五、七次谐波，在f轴的O点，表示直流分量，这条谱线的长度表示脉冲直流分量（即平衡值）的大小。高次谐波的谱线可以分布到很高的频率，但其幅度已相当小。iff90f7f5f3f1(2)脉冲信号的频谱it一次谐波i1I0(a)it三次谐波i1(b)it七次谐波i7it五次谐波i1(c)(d)脉冲信号的分解1.通信系统框图三、通信系统基本概念输入变换器发送设备接收设备输出变换器信道图单向通信系统框图信源信息接收释文释文释文释文释文释文释文有线信道：架空的明线-----带宽≤150kHz,保密性差,费用高。同轴电缆--------带宽可到米、分米波段，保密性稍好，费用高。无线信道：无线信道是整个自由空间，主要是利用自由空间的电磁特性来传播电磁波信号的。它的频段很宽，随着电子器件和通信技术的不断发展，可用频段不断展宽。2.信道的特点信道：信号传输的途径,是发送设备和接受设备之间的传输的媒介。信道的种类很多，大体可分为：①有线信道：电话电缆（架空明线、同轴线）等；②无线信道：自由空间、电离层；③光纤信道：光纤光缆。光纤信道：主要特点是频带宽，保密性好，费用低。本课程不讨论光信道。表无线电波波段(频段)划分表波段名称波长范围频率范围频段名称主要用途超长波10,000-100,000m3—30kHz甚低频VLF长波1,000—10,000m30—300kHz低频LF中波100—1,000m300—3000kHz中频MF短波10—100m3—30MHz高频HF米波1—10m30—300MHz甚高频VHF分米波10—100cm3,00—3000MHz特高频UHF厘米波(微波)1—10cm3—30GHz超高频SHF毫米波1—10mm30—300GHz极高频EHF亚毫米波1mm以下300GHz以上超极高频不同频率的电磁波有着不同的传输特性，因此，必须根据不同的实际用途来选用不同的波段。一般各波段的主要用途如下所述：超长波长波中波短波米波分米波厘米波不同频率的电磁波有着不同传输方式，根据电磁波的传输方式大致可分为三类：地面波、天波、空间波，如图。电磁波波段主要用途超长波长距离通信，导航，频率标准；长波导航,长距离通信；中波广播，船舶通信，飞行通信；短波广播，各种通信；米波短距离通信,电视,雷达,导航；分米波短距离通信，雷达，散射通信；厘米波（微波）短距离通信，雷达，卫星通信；毫米波正在开发；亚毫米波1mm以下正在开发。电离层地面地面地面①地面波：●频率越高,地面吸收越多，损耗越大；●超长波、长波、中波；●设备昂贵，天线长；●导航，频率标准。②天波：●主要靠电离层反射和折射；●主要对短波波段；●设备简单(频率适中)●传送距离远；●接受不稳定，电离层随昼夜，季节，气候而变化。③空间波：●超短波波段以下●由于地面的弧面仅能视距传播，天线高传播远；●接受稳定●传送距离近●电视,雷达,移动图0-2无线电磁波传播的方式250～400km100～150km60～80km●基带信号传输定义：将基带信号直接发送至信道，称为基带信号传输。基带信号传输通常使用有线信道。如：电话电缆可传输声音基带信号，视频电缆可传输图像基带信号。基带信号传输一个信道（如一条线路）只能传送一路基带信号，因此信道浪费太大，一般只在用户端使用。如：用户电话线。3.无线电发射系统原理（1）信号传输●载波信号传输定义：将一个要传送的基带信号加载于一个高频信号之上(即调制)，然后将这个携带有基带信号的高频电磁波信号发送至信道，这种传送方式称为载波信号传输。载波信号传送可以使用无线信道，也可以使用有线信道。如：载波电话系统、闭路电视系统等通常使用有线信道。广播系统、开路电视系统、通讯系统等通常使用无线信道，即无线电系统。对无线通信系统，由天线理论和电磁波的研究表明，用于无线发送的天线的长度L至少应为电磁信号波长λ的四分之一，即L≥λ41如语言信号基本频率范围为：300～3000Hz，则天线长度至少应为L=显然，要制作这么长的天线是难以实现的。kmkmfc25025)3000300(481034～～基带信号一般不能进行无线传输。原因：①天线尺寸太大（为了天线易于实现）②不能实现选台（为了区分不同的电台）因为，不同基带信号的频率范围可能相互重叠，在同一个信道中，接收机将无法区分各个信号。所以，无线通信系统通常采用载波信号传输。采用载波信号传输可以实现信道复用，即，在一个信道中可以同时传输多路载波信号，只要各信号的载波频率不相同就可了。不同载波频率的载波信号在同一个信道中传输，称为频分复用（FDMA）。射频（高频）频率越高，可利用的频带宽度就越宽，从而可以容纳的信号就越多，这也是无线电通信采用高频的原因之一。若调制到100MHz，天线长度为0.75m,容易实现。基带信号（调制信号）高频信号（载波）调幅已调波设：载波信号电压为用调制信号分别调制高频信号的振幅（A）、频率（）、相位（t）就可以实现：振幅调制（调幅）----AM频率调制（调频）----FM相位调制（调相）----PM)cos()(tAtvcCcc以调幅信号为例，看一下载波传输的信号波形。缓冲级倍频器放大级调制器高频功放振荡器低频功放低频放大声音这里我们以调幅为例，简单介绍一下调幅发射机的原理。图3调幅式无线电发射机框图（2）无线电发射机框图释文释文释文释文释文释文释文释文振荡器：产生高频载波信号，它决定了发射台的载波频率（中心频率）。一般对发射台载波频率的稳定度要求较高，所以，多用石英晶体振荡器。缓冲器：隔离负载对主振荡器的影响，提高频率稳定度。倍频器：由于石英晶体的频率不太高，所以一般用倍频的方法来获得发射机需要的载波频率。放大级：一般倍频器的输出信号较弱，不足以推动调制器，所以，通常在调制器前加有放大级，增加载波信号的幅值和功率。低频电压放大：放大话筒输出的微弱信号（低噪声放大器）。低频功放：推动调制器需要一定功率，故用低频功放。调制器：完成基带信号（调制信号）对高频载波信号的调制，产生已调波。高频功放：为了满足电台覆盖范围的需要，发射机必须发射出一定的高频功率，故高频功率放大器。但是，国家对不同级别的电台的辐射功率有相应的规定，不能任意增大。4.无线电接收系统原理（1)无线电信号的接收由无线电发射系统发射到自由空间的载有基带信息的已调波无线电磁信号，由无线电接收机的天线选择接收，经放大、信号处理后，由解调电路（称为解调器）解调出原基带信号，解调器的作用与原发射端调制器的作用正好相反。解调出的原基带信号，再经低频放大后，送到信息接收设备。输入回路：自由空间的电磁信号很多，由输入回路来选择需要的已调波信号。如：收音机的调台旋钮、电视机的频道开关，就是通过改变输入回路的参数来选择需要的电台信号。(2)无线电接收机框图这里我们以调幅为例，简单介绍一下调幅接收机的原理。图4是超外差式无线电调幅接收机框图。下面我们介绍它的各个方框的作用。高频放大混频器中频放大解调器低频放大输入回路自动增益控制本地振荡器SfIfLf同步图4无线电接收机框图释文释文释文释文释文释文释文释文本地振荡器：它的振荡频率与输入回的路谐振频率同步改变。这里之所以叫做“本地振荡器”，是与发射端的高频载波振荡器相对而言的，有时也叫做“本机振荡器”。混频器：混频器将接收到的调幅已调波信号（载波频率）和本机振荡器输出的高频等幅信号（频率为）进行频率变换，产生一个新的固定频率的中频调幅信号，该中频调幅信号的幅度变化规律和接收到的高频调幅信号的幅度变化规律完全一样。并且，中频频率（）一般远远低于接收信号的载波频率，即这里之所以用混频器将接收的调幅信号变换到载波频率为的固定频率的中频调幅信号，是因为要设计出灵敏度很高、选择性很好的、中心频率可变的高频放大器是非常困难的。为解决这个问题，目前普遍采用超外差电路。fffILSfIfsfLfI高频放大：天线回路（输入回路）输出的信号是非常微弱的信号，为了提高信号的信噪比和混频效果，在较高级的接收设备中通常加一级高频放大，普通的收音机一般没有高频放大。解调（检波）：对中频调幅信号进行解调，输出发射端原基带信号（调制信号）。低频放大：对检波器输出的原调制信号进行电压和功率放大，以推动信息接收设备（如：扬声器）。中频放大器：由天线接收到的高频调幅信号大约为mV级甚至是μV级，而解调器正常工作所需的电压约在0.5V～1V，所以，中频放大器必须具有很高的增益。自动增益控制：由于无线电磁信号在信道传输过程中会受到各种各样的影响，使得接收的信号忽强忽弱，该控制可减小这种影响。四、数字通信系统传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，其原理框图如下图所示：信源编码信道编码信道接收机发射机信道解码信源解码输出模拟信号输入模拟信号模拟信号经信源编码和信道编码变成数字基带信号，发射机将基带信号调制到高频载波上经信道传输到接收端，接收机还原出数字基带信号，经信道解码和信源解码还原出模拟基带信号。用数字基带信号对高频正弦载波进行的调制称数字调制。根据基带信号控制载波的参数不同，数字调制通常分为与振幅键控调制，频率键控调制和相位键控调制三种基本方式。振幅键控：（Amplitude-sh