射频通信原理

第１章概论第１章概论1.1信息技术1.2通信系统1.3信号1.4带宽和信息容量习题第１章概论信息技术概括起来包括两类：信息处理技术与信息传输信息是一个抽象的概念。信息的具体形式有：语言、文字、符号、音乐、图形、图像和数据。将表示声音和图像等的物理信号，经过传感器转换为电信号，就成为我们处理的对象。通信的任务是传递信息，即将经过处理的信息从一个地方传递到另一个地方。对于信息传输最主要的要求就是传输的可靠性和有效性。信息处理的目的就是为了更有效、更可靠地传递信息。1.1第１章概论传递信息可以通过有线方式，也可以通过无线方式。通信作为无线电技术最早的应用，其系统组成和工作过程，很典型地反映了无线电技术的基本问题。通信技术的发展和现代化也充分反映了无线电技术的发展和现代化。本书将以无线通信系统为主要研究对象，着重讨论无线电设备中的高频放大器和高频功率放大器、振荡器及频率变换等电子线第１章概论一切能完成信息传输任务的系统都可以称为通信系统。高频电路是通信系统，特别是无通信系统的基本任务是从一个地方向另一个地方传送信息。因此，电子通信可以被总结为在两个或多个位置使用电子线路传输、接收和处理信息。始发的源信息可以是模拟(连续)形式的，如人类的语言或音乐，也可以是数字(离散)形式的，如二进制编码的数字或字母数字代码。各种形式的信息在通过通信系统传播之前，必须对其进行转换。1.2通信系统第１章概论电子通信技术已经发展了百年，其基本概念和原理变化不大，但其实现技术和电路经历了重大的变化。近年来，晶体管和线性集成电路简化了电子通信电路的设计，使其更加小型化，并改善了性能和可靠性，降低了总成本。越来越多的人需要相互通信，这一巨大的需求刺激着电子通信工业快速发展。现代通信系统包括电缆通信系统、微波通信系统、第１章概论1.2.1了解通信系统的构成，有利于掌握通信系统的基本原理及通信电子线路的组成原理。通信系统的核心部分是发送设备和接收设备。不同的通信系统的发送设备和接收设备组成不完全相同，但其基本结构有相似之处。通信系统通常分为有线通信系统和无线通信系统，我们常见的无线通信系统有广播通信系统、移动通信系统等。一个完整的通信系统基本组成框图如图1.1第１章概论图1.1通信系统基本组成框图第１章概论无线通信系统的基本组成框图与通信系统基本相同，包括发射系统(信源、输入变换器、发送设备)、接收系统(接收设备、输出变换器、接收信息)、信道、干扰源等。第１章概论1.2.2信源是指需要传送的原始非电物理量信息源，如语言、音乐、图像、文字等。信源经输入变换器后转换成电信号。文字等信息变换为电信号，该电信号包含了原始消息的全部信息(允许存在一定的误差，或者说信息损失)。这类信号的频率一般比较低，称为“基带信号”。输入变换器输出的基带信号作为通信系统的信号源。基带信号不一定适合在信道上直接传输，可将其送入发送设备，变换成适合信道传输第１章概论发送设备主要有两大任务：调制就是将基带信号变换成适合信道传输的高频信号。在连续波调制中，是指用原始电信号(调制信号)去控制高频振荡信号(载波信号)的某一参数，使之随着调制信号的变化规律而变化。经过调制的高频信号称为已调信号。无线通信发送设备的任务就是将基带信号变换成适合在空间信道传输的高频信号。图1.2第１章概论图1.2无线通信发送设备第１章概论发送设备的另一个任务是放大，即对已调波信号的电压和功率进行放大、滤波等处理，使已调波信号具有足够大的在无线通信中，天线的作用是很重要的，它将已调信号转换成电磁波送入信道。由天线理论可知，要将无线电信号有效地发射出去，天线的长度必须和电信号的波长为同一数量级。例如，音频信号的频率一般在20kHz以下，对应波长为15km以上，直接传输时需要的天线约4km，但使用如此巨大的天线是不可能的。第１章概论此外，即使这样的天线制造出来，由于各个发射台发射的均为同一频段的低频信号，各信号在信道中会互相重叠、干扰，导致接收设备无法选择出所要接收的信号。因此，为了有效地进行传输，必须采用几百千赫以上的高频信号作为载体，将低频的基带信号“装载”到高频信号上(调制)，然后经天线发射出去。采用调制方式以后，由于传送的是高频信号，所需天线尺寸大大下降。同时，不同的发射台可以采用不同频率的载波信号，这样各种信号在频谱上就可以互相第１章概论1.2.3接收设备主要有三大任务：接收设备将信道传送过来的已调信号从众多信号和噪声中选取出来，并对其进行处理，以恢复出与发送端一致的基带信号。图1.3所示是通信系统中调幅式无线电接收设备的第１章概论图1.3无线通信接收设备第１章概论接收设备的第一级是高频放大器。发送设备发出的信号经过长距离传播会受到很大的衰减，能量损失较大，同时，信号还受到传输过程中来自各方面的干扰和噪声。当达到接收设备时，信号是很微弱的，需要经过放大器进行放大。并且，高频放大器的窄带特性可以同时滤除一部分带外的噪声和干扰。高频放大器的输出是载频为fs的已调信号，经过混频器与本地振荡器提供的频率为fL的信号混频，产生频率为fI的中频信号。中频信号经中频放大器放大，送到解调器，恢第１章概论1.2.4信道是信号传输的通道，也就是传输媒介，不同的信道有不同的传输特性。信道包括有线信道和无线信道。有线信道有架空明线、同轴电缆、波导管和光缆等，无线信道主要有大气层、海水或外层空间等。无线电波在空间传播的性能与大气结构、高空电离层结构、大地的衰减以及无线电波的频率、传播路径等因素密切相关，因此，不同频段无线电波第１章概论在无线模拟通信系统中，传输媒介是自由空间。根据电磁波的波长或频率范围，电磁波在自由空间的传播有多种方式，各种传播方式下信号传输的有效性和可靠性不同，由此第１章概论无线电波在空间的传播速率与光速相同，约为3×108m/s(1-1)式中，λ是波长，c是传播速率，f是频率。由于电波的fc第１章概论无线通信系统使用的频率范围很宽阔，从几十千赫兹到几十吉赫兹。不同频率范围的无线电波传播规律不同，应用范围也不同。习惯上将电磁波的频率范围划分为若干个区段，第一种是沿地面传播，称为地波，如图1.4(a)所示。例如，长波和中波通信的频率在1.5MHz以下，波长较长，地面第二种是依靠电离层的反射传播，称为天波，如图1.4(b)所示。第１章概论电磁波到达电离层后，一部分被吸收，一部分被反射和折射到地面。频率越高，被吸收和反射的能量越少，电磁波穿入电离层也越深，但当频率超过一定值后，电磁波就会穿过电离层而不再返回地面了。例如，对于频率范围为1.5～30MHz的信号，波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，但能被电离层反射到远处，故可采用天波通信方式。第１章概论第三种是在空间直线传播，称为直线波或者空间波，如图1.4(c)所示。对于频率在30MHz以上的超短波，由于其波长较小，不能绕过地面障碍物，并且地面吸收损耗很大，因而不能用地波方式传播，而且超短波能穿透电离层，因而也不能以天波方式传播，它只能在空间以直线方式传播。因为地球表面是球形的，所以直线波的传播距离有限，并与发射和接收天线的高度有关。移动通信、电视和调频广播等均采第１章概论图1.4(a)地波；(b)天波；(c)第１章概论1.2.5通信系统的种类很多。按照所用信道的不同，可以分为有线通信系统和无线通信系统；按照业务(即所传输的信息种类)的不同，可以分为电话、电报、传真和数据通信系统等；按照通信系统中信道传输的基带信号不同，可以分为第１章概论(1)按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。其中工作频段主要指发射与接收的射频(RF)频段。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信(2)按照通信方式分类，主要有(全)双工通信、半双工通单工通信系统有时称为单向的、只接收或只发送的系统。商业电台或电视广播是单工通信的一个例子，电台总是发射第１章概论半双工通信中，信号的传输可以在两个方向上进行，但不是同时的。使用按讲(PTT)开关控制发射机的双向无线电全双工通信中，信号的传输可以同时在两个方向上进行。(3)按照调制方式的不同来划分，有调幅(AM)通信、调频(FM)通信、调相(PM)通信以及混合调制通信等。第１章概论调幅是指载波信号的幅度随基带信号变化；调频是指载波信号的频率随基带信号变化；(4)按照传送消息的类型分类，有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图像通信、数据通信和多媒体通信等。各种不同类型的通信系统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大不同，但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的，遵从同样的规律。本书将以模拟通信为重点来研究这些基本电路，认识其规律。这些电路和规律完全可以推广应第１章概论在高频电路中，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信号。所谓基带信号，就是没有进行调制的原始信号，也称调制信号。高频载波信号主要指用于调制的高频振荡(载波)信号和用于解调的本地振荡信号(或称恢复载波)，一般为单一频率的正弦(或余弦)信号或脉冲信号。已调信号是调制信号对载波信号进行调制以后所得到的信号。基带信号通常为低频信号，后两者为高频无线电信号有多方面的特性，主要包括时间(域)特性、1.3信号第１章概论1.3.11.确定信号可用一确定的时间函数来表示，对于指定的某一时刻，可以确定一个相应的函数值。例如，正弦信号就是确定信号。实际传输中的信号往往是不确定的，这种信号称为随机信号。随机信号不能用确定的时间函数来表示，当给定某一时间值时，信号的函数值并不确定，只能研究它取某一数值的概率。本书将只研究确定信号。第１章概论2.周期信号按一定的时间间隔重复出现，其函数表达式为f(t)=f(t+nT)n=0，±1，±2，…(1-2)满足这个表达式的最小T值称为信号的周期。若令T趋于无限大，则周期信号就成为非周期信号。3.如果在某一时间间隔内，除了若干不连续点之外，信号的函数表达式对一切时间值都给出确定的函数值，这种信号称为连续信号。图1.5(a)所示的正弦波信号就是连续信号。第１章概论如果信号的函数表达式中，只在某些不连续的时间值上有给定函数值，则这种信号称为离散信号。图1.5(b)所示即为离散信号。时间变量取离散值时，称这种信号为离散时间第１章概论图1.5(a)连续信号；(b)第１章概论如果离散时间信号的幅值是连续的，可称其为抽样信号。若离散信号的幅值也被限定为某些离散值，即时间与幅值都4.在一定的时间间隔里，将信号加在负载上，负载中就消耗一定的信号能量。将这个能量值对于时间间隔取平均值，即得在此时间间隔内的信号平均功率。若时间间隔趋于无限大，则有两种情况：信号总能量为有限值，信号平均功率为零，这种信号称为能量信号；或者信号平均功率为有限值，信号能量为无限大，这种信号称为功率信号。周期信号都是功率信号；只存在于有限时间内的非周期信号是能量信号；存在于无限时间内的非周期信号可以是能量信第１章概论5.在信号处理过程中会遇到各种无用的干扰信号。信号处理过程所引入的有害的干扰统称为噪声。噪声根据来源不同可分为：(1)人为噪声，亦称可消除噪声，如电器设备火花所产生的高频脉冲、电源因滤波器不良而产生的交流噪声，由系统设计或结构不完善所引起的振荡等。这些噪声都是随机出现的，通过恰当的设计可以消除。(2)无规则的自然噪声，是由大气中的闪电、银河系的辐射、太阳黑子活动等所引起的噪声，这种噪声随频率上升第１章概论(3)起伏噪声，这是由系统内部的有源器件和实体电阻所产生的，如电阻或导体中的电子热运动引起的热噪声、半导体器件中载流子的扩散复合产生的随机噪声等。这种噪声在各种物理系统中都存在。起伏噪声的存在，使由电阻、导线、电子器件所构成的设备测量微弱信号的能力大大下降。就接收设备而言，噪声根据其特性可分为四类：热噪声、互调噪声、串话第１章概论(1)热噪声是由电子在导体中的热运动产生的，它存在于所有电子器件和传输信道中。热噪声是温度的函数，温度越高，热噪声能量越大。热噪声的幅度服从正态分布，其功率谱密