无线电通信系统的基本组成(个人整理)

课题一无线电通信系统的基本组成◆知识点¤无线发射设备的基本原理和组成¤无线接收设备的基本原理和组成¤了解无线接收设备中的超外差接收技术任务目标通过本课题的学习，掌握无线通信系统的基本组成，了解超外差接收基本原理。课题导入图１－１无线广播系统的组成如图１－１所示，是我们非常熟悉的收音机收听广播电台节目的示意图。在这个电台节目接收过程中，电台播音员（节目源）、发射机、发射天线、收音机缺一不可，分别完成了信号的产生、变换、发射、传输和接收，组成了一个基本的无线通信系统。当接收本地电台节目时声音效果很好，而当接收外地距离较远电台节目时声音效果有时好，有时差；有时我们还会发现，不同品牌、价位的收音机，其接收效果也各不相同，并且调频波段接收的音质要优于调幅波段，其原因我们会在以后的课题学习中逐步揭示。除了以上无线广播系统以外，还有很多不同功能，不同使用场合的无线通信设备，例如我们家庭使用的用于接收处理图像的电视接收机，公安部门常使用的对讲机，便于随身携带的移动电话（手机），教师上课使用的无线教学扩音器等等。虽然其外观、体积、功率、传送信息内容差异很大，但组成这些通信设备最基本的电路结构是极为相同或相似的，高频电子技术所研究的正是组成这些通信系统设备的最基本电路。相关知识一、通信系统的基本组成从发送者到接收者之间信息的传递称为通信。利用电信号传输信息的系统称通信系统，也称电信系统。通信系统基本组成可由如图１－２所示方框图表示。它由输入、输出变换器，发送、接收设备和信道等部分组成。其各部分的含义如下：图１－２通信系统的基本组成方框图1．信源信源是指需要传送的原始信息。如语言、音乐、图像、文字等，往往是以机械振动、光强等物理量为载体呈现。2．输入变换器将信源非电物理量转换为电信号的装置。如麦克风将机械振动转换为音频电信号；光电管将光图像信号转换为视频电信号。这些信号频率较低，不便于在信道中传输，常称之为基带信号。根据信源转换为电信号的方式，可分为模拟通信、数字通信：（1）模拟信号：变换后信号电压或电流为随信源物理量线性连续变化的信号。（2）数字信号：变换后信号电压或电流随信源物理量非连续、离散变化的信号，常采用二进制数字信号。根据以上不同的信号类型而组成的发射、接收处理的通信系统分别称为模拟通信和数字通信。本课程主要研究的是模拟通信系统。3．发送设备发送设备用于将输入的基带电信号变成适合于信道传输的信号。发送设备在无线通信系统中也称发射设备，发射信号常称为射频信号。图１－３（ａ）为无线电测向信号源，可发射摩尔斯电报码【１】，属无线发射设备。4．接收设备接收设备作用是把发送设备发送的有用信号从众多的信号和噪声中选取出来。图１－３（ｂ）为无线电测向机【２】，属无线接收设备。图１－３无线电测向设备a无线测向发射信号源bPJ-80无线测向机同一系统的发射与接收设备配合组成完整的通信系统；不同的通信系统，其发送和接收设备一般不能通用。发送设备与接收设备是组成通信系统的核心。有些通信设备具有发射与接收两种功能，如便携式短波电台、对讲机、手机等，它们都具有信号的收发功能，常称之为双工。5．信道信道是信息传输的通道，也称传输媒介，可分为有线信道和无线信道两大类，相应的称为有线通信或无线通信。（1）有线通信：利用各种导线作为信道来传输信号的通信方式，如图1-4所示。有线通信信道多为同种电缆、双绞线及光纤等，信号不容易受到干扰，应用很广泛。图1-4常见的有线信道架空明线同轴电缆光缆（2）无线通信：无线电信息传输系统是利用无线电波在空间的传播来完成信息的传递。为了保证信息的有效传输，常通过相应的天线实现高频电信号的发射与接收。不同频率高频信号所需天线大小、尺寸、形状各不相同，小的仅几厘米，大到几百米高度。图1-5是两种无线通信天线。图1-5无线通信天线无线电通信系统中，无线信道多为大气层或外层空间。由于无线电波能方便快捷地在空间传播，所受限制较少，因此广泛应用于广播、电视、通信、雷达和导航等领域。６．输出变换器用于将接收输出的电信号恢复出原始信息。如功率放大器与扬声器将音频电信号转换为扬声器纸盆的机械振动。７．噪声与干扰信号在传输过程中，不可避免地会受到各种噪声的干扰。噪声按其来源一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声包括自然界存在的各种电磁波干扰(闪电、宇宙射线、太阳辐射等)，工业上强力电机、电力机车、电焊机等工作时产生的电磁辐射和其它无线电设备发射的信号等。内部噪声则是指电子设备本身产生的各种噪声。因此，噪声与干扰不仅存在信道，也存在于发射、接收的整个电路中，通信系统要尽量避免噪声的干扰。二、典型的无线发射设备的组成典型的调幅发射机的组成方框图如１－６所示，调频发射机的基本框图如图１－7，图１-8为调频无线话筒发射器实物。下面以图１－６调幅发射机原理框图介绍组成发射机的各主要电路的作用。图１－６调幅发射机原理框图图１－7调频发射机原理框图图１－8无线话筒实物1．音频（话筒）放大器音频（话筒）放大器又称为调制信号放大器，用来放大话筒或音乐的电信号，输出足够强的音频调制信号；通常，低频放大器是由几级小信号低频电压放大器或集成运算放大器组成，图１－8中是由MC4558集成运算放大器及阻容元件组成。音频电路测试常采用如表１－１中A点正弦波波形输入测试。2．振荡器振荡器用来产生频率稳定的高频振荡信号，其性能的好坏直接影响到发射机的正常工作，振荡电路常用的有LC振荡器，石英晶体振荡电路等。振荡器输出等幅的高频正弦波，如表１－１中B点波形所示。表１－１发射机原理框图中各点波形示意图A点的波形B点的波形C点的波形石英晶体的频率稳定性极好，高性能发射设备多采用石英晶体振荡器或石英晶体频率锁相的压控振荡器。3．倍频器各种振荡电路，尤其是采用石英晶体的振荡电路，受晶体基频的限制及分布参量的影响，难以产生太高的振荡频率，所以电路上往往采用倍频器倍频，使高频振荡的频率倍增到所需的载波频率上，以满足较高载频的要求。4．调制器用调制信号(如音频信号)去控制等幅的高频振荡某参量的过程，称为调制。通俗地讲，调制就是把调制信号的信息“装载”到载频(载波)上去。经过调制后的高频振荡称为已调信号或已调波。由于载波的频率很高，可用尺寸较小的天线以电磁波的形式将其发射到空中，传向远方，表１－１中C点波形为经调幅后的波形。调制电路是组成无线电发射设备必不可少的单元。可分为以下三种调制：当被控制的是高频振荡的幅度时，这种调制称为幅度调制，简称调幅(AM)。当被控制的是高频振荡的频率时，这种调制称为频率调制，简称调频(FM)。当被控制的是高频振荡的相位时，这种调制称为相位调制，简称调相(PM)。5．高频功率放大器高频功率放大器简称高频功放，它的作用是对已调(制)信号放大到足够大的功率，最后由天线以电磁波形式辐射出去，满足发射功率的要求。同时，高频功率放大器往往具有滤波作用，滤除不需要的杂波和谐波分量，保持已调波有用信号的纯净，降低杂波干扰。根据功率要求，高频功率放大器常采用较大功率的高频晶体管，而在短距离微功率发射应用上仍可采用小功率高频晶体管。6．发射天线天线的作用是将已调高频载波经天线辐射出去，在空间形成交变的电磁波并传向远方。天线的好坏直接影响到发射距离和性能。不同频段、不同应用的发射机配备的天线各不相同，大至抛物面天线、阵列天线、背射天线，小到半波振子天线、开槽天线和微型印制天线，视使用场合、用途、频段、作用距离等因素而定。不同用途的发射设备，对发射电路的要求各有不同。一般要求发射电路的频率稳定度要高，发射输出功率足够，效率高，功耗小。三、典型的无线接收设备的组成收音机是最典型的无线电调幅接收设备，其组成方框图及各点波形如图1-9所示，图1-10为调幅收音机实物图，其主要单元电路有：图1-9调幅收音机原理框图图1-10集成电路收音机电路板图1．高频放大器用来对天线所接收到的有用高频信号进行初步的选择和放大，并对其他频率的无用信号进行抑制。2．混频器是超外差式接收机的核心，其作用是将高频放大器输出的高频己调信号（调幅信号）和本机振荡器所提供的高频等幅信号，在混频器中实现变频。这里本机振荡器所提供的振荡频率比接收的高频己调信号的载频高一个中间频率，在混频器输出端就可获得载频频率为二者频率之差的较低的中频信号，这是“超外差”式接收机名称的由来。目前大多数的无线电接收设备如无线电广播接收机(收音机)，电视接收机、短波通信电台、雷达接收机等，都采用“超外差”接收方式。超外差接收机具有接收灵敏度高，选择性好，结构简单的特点，混频器是其重要特征。3．中频放大器用来放大中频信号，中频频率较低且是固定频率，因此中频放大器的选择性和增益都可做的较高，使整机的接收性能提高。4．检波器用于从中频信号中“取出”调制信号，这个过程称为解调，调幅波的解调也称检波。这里中频信号的包络线的形状与高频己调信号相同，仍携有原来调制信号的信息(参见表１－2F点的波形)，检波器从中频调幅信号中取出含信息的包络信号成份，经低频放大器放大，送到耳机或扬声器中转变为声音信号。图中可参见波形变换情况，无线接收设备的工作过程与发射设备相反，它的任务是把通过空间传来的电磁波接收下来，选出所需的已调波信号，并把它还原为原来的调制信号，以推动输出变换器，获得所需的信息。